QFET - QFET

Bir kuantum alan etkili transistor ( QFET ) ya da kuantum alan-etkili transistor ( QWFET ) türüdür MOSFET (metal oksit yarı iletken alan etkili transistor yararlanır) kuantum tünel transistör işlem hızını arttırmak ölçüde için Tipik olarak taşıyıcıların 3000 kat yavaşlamasına neden olan geleneksel transistörün elektron iletim alanını ortadan kaldırarak . Sonuç, bileşen güç gereksiniminde ve boyutunda aynı anda bir kat azalma ile birlikte mantık hızında 10 kat artıştır. 10. Bunları , ultra ince yapı malzemeleri katmanlarını kullanan hızlı ısıl işlem (RTP) olarak bilinen bir üretim süreci aracılığıyla gerçekleştirir.

"QFET" harfleri şu anda Fairchild Semiconductor tarafından üretilen (Kasım 2015'te derlenmiştir) tescilli bir çift ​​difüzyonlu metal-oksit-yarı iletken (DMOS) teknolojisi içeren ancak aslında öyle olmayan bir dizi MOSFET'in ticari markası olarak mevcuttur. , kuantum tabanlı (bu durumda Q, "kalite" anlamına gelir).

Yapı ve cihaz çalışması

Kuantum alan etkili transistörlerin modern örnekleri, geleneksel yapıları geleneksel MOSFET'lere entegre eder ve aynı malzemelerin çoğunu kullanır. MOSFET transistörleri, SiO ₂ gibi dielektrik malzemelerden ve metal kapılardan oluşur. Metal kapılar, çok yüksek bir giriş direncine yol açan geçit dielektrik katmanından yalıtılmıştır . Kaynak (veya giriş), drenaj (veya çıkış) ve kapı olmak üzere üç terminalden oluşan MOSFET'ler, katmanlar arasındaki potansiyel bariyeri değiştiren ve sağlayan kapı terminaline uygulanan bir voltaj (veya bunun eksikliği) aracılığıyla akım akışını kontrol edebilir. (veya devre dışı bırakır) şarj akışı.

Kaynak ve boşaltma terminalleri, gövde bölgesi tarafından yalıtılmış, MOSFET'in katkılı bölgelerine bağlanır. Bunlar ya p ya da n tipi bölgelerdir, her iki terminal de aynı tipte ve vücut tipinin zıttıdır. MOSFET bir n-kanallı MOSFET ise, hem kaynak hem de boşaltma bölgeleri n + ve gövde bir p bölgesidir. MOSFET bir p-kanallı MOSFET ise, hem kaynak hem de boşaltma bölgeleri p + ve gövde bir n bölgesidir. Bir n-kanallı MOSFET'te elektronlar, yükü kaynak bölgesi boyunca taşır ve delikler, p-kanalı MOSFET kaynağındaki yükleri taşır.

FET yapıları tipik olarak, moleküler ışın epitaksi, sıvı faz epitaksi ve buhar fazı epitaksi gibi çeşitli teknikler kullanılarak kademeli olarak, katman katman oluşturulur; buna bir örnek kimyasal buhar biriktirmedir . Tipik MOSFET'ler mikron ölçeğinde oluşturulur. 3 μm veya daha büyük kalınlıkta katmanlar oluşturmak için ıslak kimyasal aşındırma kullanılabilirken, nanometre ölçeğinde katmanlar elde etmek için kuru aşındırma teknikleri kullanılabilir. Katman kalınlığı 50 nanometreye veya daha azına yaklaştığında, katmanın de Broglie dalga boyu termalleştirilmiş bir elektronunkine yaklaşır ve yığın yarı iletkenler için geleneksel enerji-momentum ilişkileri artık çalışmaz.

Bant aralıkları çevreleyen malzemelerinkinden daha küçük olan QFET'lerin üretiminde ultra ince yarı iletken katmanlar kullanılır. Tek boyutlu kuantum kuyusu QFET durumunda, iki yalıtkan katman arasında nano ölçekli bir yarı iletken katman büyütülür. Yarı iletken tabakanın kalınlığı d'dir ve elektron yük taşıyıcıları potansiyel bir kuyuda tutulur. Bu elektronlar ve bunlara karşılık gelen delikler, gösterildiği gibi zamandan bağımsız Schrödinger denklemini çözerek bulunan ayrı enerji seviyelerine sahiptir:

${\displaystyle E_{q}={\hbar ^{2}(q\pi /d)^{2} \2 milyonun üzerinde},q=1,2,3,...}$

Yük taşıyıcılar, kapı terminaline karşılık gelen bir enerji seviyesiyle eşleşen bir potansiyel uygulanarak etkinleştirilebilir (veya devre dışı bırakılabilir). Bu enerji seviyeleri, yarı iletken tabakanın kalınlığına ve malzeme özelliklerine bağlıdır. QFET uygulaması için umut verici bir yarı iletken adayı olan InGaAs , yaklaşık 50 nanometrelik bir de Broglie dalga boyuna sahiptir. Katmanın kalınlığı d düşürülerek enerji seviyeleri arasında daha büyük boşluklar elde edilebilir . InGaAs durumunda, yaklaşık 20 nanometrelik katman uzunlukları elde edilmiştir. Pratikte, tabaka düzleminin boyutları d ₂ ve d ₃ olan ve göreceli boyutta çok daha büyük olan üç boyutlu kuantum kuyuları üretilir . Karşılık gelen elektron enerji-momentum ilişkisi şu şekilde tanımlanır:

${\displaystyle E=E_{c}+{\hbar ^{2}k_{1}^{2} \fazla 2 milyon_{c}}+{\hbar ^{2}k_{2}^{2} \fazla 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k_{3}^{2} \fazla 2m_{c}}}$.

K için bu ilişki tekabül ettiği değerler ve büyüklükleri vardır wavevectors her boyutta. ${\displaystyle {q_{1}\pi \over d_{1}},{q_{2}\pi \overd_{2}},}$${\displaystyle {q_{3}\pi \over d_{3}}}$

Kuantum telleriyle düzenlenen QFET'ler benzer şekilde elektron yük taşıyıcılarını potansiyel bir kuyuda sınırlar, ancak dar geometrik şekillerinin doğası, bir üreticinin elektronları iki boyutta yakalamasını sağlar. Kuantum telleri, esasen 1 boyutlu sistemdeki kanallardır ve daha sıkı bir taşıyıcı sınırlaması ve öngörülebilir bir akım akışı sağlar.

Bir silikon substratın üzerinde bir silikon dioksit tabakası ile inşa edilen geleneksel MOSFET'ler, uygulanan bir pozitif veya negatif voltaj varlığında sırasıyla ileri veya geri polarlanabilen bir taraflı pn bağlantısı oluşturarak çalışır . Gerçekte, bir voltaj uygulamak, p ve n bölgeleri arasındaki potansiyel bariyerin yüksekliğini azaltır ve yükün pozitif yüklü "delikler" ve negatif yüklü elektronlar şeklinde akmasına izin verir.

Tek eklemli QFET'ler, taşıyıcıları 3000 kata kadar yavaşlatan elektronik iletim alanını ortadan kaldırarak hızı artırmak için kuantum tünellemeyi kullanır.

Optik aletlere teori ve uygulama

QFET'lerin yapı taşlarının davranışı Kuantum Mekaniği yasalarıyla tanımlanabilir . Kuantumla sınırlı yarı iletken yapılarda, yük taşıyıcıların (delikler ve elektronlar) varlığı durum yoğunluğu ile ölçülür . Genellikle 2 nm ile 20 nm arasında kalınlıkta bir düzlem tabakası olarak inşa edilen üç boyutlu kuantum kuyusu durumunda, durumların yoğunluğu , tabaka düzlemindeki alana karşılık gelen iki boyutlu bir vektörden elde edilir. . Gönderen ilişkisi, ${\görüntüleme stili \rho _{c}(E)}$${\displaystyle (k_{2}={q_{2}\pi \over d_{2}},k_{3}={q_{3}\pi \over d_{3}})}$${\ Displaystyle Ek}$

${\displaystyle E=E_{c}+{\hbar ^{2}k_{1}^{2} \fazla 2 milyon_{c}}+{\hbar ^{2}k_{2}^{2} \fazla 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k_{3}^{2} \fazla 2m_{c}}}$olduğunu göstermek mümkündür ve böylece ${\displaystyle {dE \over dk}=\hbar ^{2}k/m_{c}}$

${\displaystyle \rho _{c}(E)={\begin{kasalar}{m_{c} \over \pi \hbar ^{2}d_{1}},\\0,\end{durumlar}} q_{1}=1,2,3,....}$

Benzer şekilde, tek boyutlu nanotellerin enerjisi dalga vektörleri ile tanımlanır, ancak geometrileri nedeniyle tel ekseni boyunca serbest hareketin kinetik enerjisini modellemek için sadece bir k vektörüne ihtiyaç vardır: ${\görüntüleme stili k_{z}}$

${\displaystyle E(k_{z})={\hbar ^{2}k_{z}^{2} \2 milyonun üzerinde_{c}}}$

İki boyutta hapsedilmiş elektronların enerjisini ölçmek için daha doğru bir enerji modeli kullanılabilir. Telin , yeni bir enerji-momentum ilişkisine yol açan , d ₁ d ₂ dikdörtgen bir kesite sahip olduğu varsayılabilir :

${\displaystyle E=E_{c}+{\hbar ^{2}(q_{1}\pi /d_{1})^{2} \2 milyonun üzerinde_{c}}+{\hbar ^{2}( q_{2}\pi /d_{2})^{2} \2 milyonun üzerinde_{c}}+{\hbar ^{2}k^{2} \2 milyonun üzerinde_{c}}}$, burada k, telin ekseni boyunca vektör bileşenidir.

İki boyutlu kuantum telleri, ortak çapları yaklaşık 20 nm'ye düşen silindir şeklinde de olabilir.

Tek bir boyutla sınırlı olan kuantum noktaları durumunda, enerji daha da nicelenir:

${\displaystyle E=E_{c}+{\hbar ^{2}(q_{1}\pi /d_{1})^{2} \2 milyonun üzerinde_{c}}+{\hbar ^{2}( q_{2}\pi /d_{2})^{2} 2m_{c}}+{\hbar ^{2}(q_{3}\pi /d_{3})^{2} \üstü 2m_{c}}}$.

Kuantum noktalarının geometrik özellikleri değişir, ancak tipik kuantum nokta parçacıklarının boyutları 1 nm ile 50 nm arasında herhangi bir yerdedir. Elektron hareketi her ardışık boyutsal niceleme ile daha da kısıtlandığından, iletim ve değerlik bantlarının alt bantları daralır.

III-V tri-gate kuantum kuyusu MOSFET (Datta, K. & Khosru, Q.)

Tüm yarı iletkenler benzersiz bir iletkenlik ve değerlik bant yapısına sahiptir. Olarak doğrudan bir bant boşluk yarı iletkenler, iletim bant minimum ve valans bandı maksimum enerjileri, aynı dalga sayısı meydana k aynı hızla tekabül eden. Kuantum kuyusu yapılarına sahip QFET'ler, uygun kuantum sayılarına ( q = 1, 2, 3,...) karşılık gelen çok sayıda alt banda bölünmüş iletim bantlarına sahiptir ve izin verilen en düşük iletim bandında ve en yüksekte daha yüksek bir durum yoğunluğu sunar. MOSFET'lerden daha izin verilen değerlik bandı enerji seviyeleri, özellikle optik özellikleri ve uygulamalarında ilginç özelliklere yol açar. Lazer diyotlarda kullanılan kuantum kuyulu cihazlar için fotonlar, değerlik ve iletim bantları arasındaki geçişler yoluyla elektronlar ve delikler ile etkileşime girer. Kuantum kuyulu yarı iletkenlerde foton etkileşimlerinden geçişler, klasik yarı iletkenlerin genel enerji boşluğunun aksine, alt bantlar arasındaki enerji boşlukları tarafından yönetilir.

Motivasyon

Alan Etkili Transistörün (FET) kavramsal tasarımı ilk olarak 1930 yılında JE Lilienfeld tarafından formüle edilmiştir. 30 yıl sonra ilk Silikon FET'in ortaya çıkmasından bu yana, elektronik endüstrisi hem transistör yoğunluğunun hem de bilgi işleme kapasitesinin hızlı ve öngörülebilir üstel büyümesini gördü. Moore Yasası olarak bilinen bu fenomen, bir entegre devreye yerleştirilebilecek transistör sayısının yaklaşık her iki yılda bir ikiye katlandığı gözlemine atıfta bulunur .

Yüksek Hızlı Kuantum FET'ler, geleneksel yarı iletken teknolojisi için pratik sınır olarak kabul edilen 0,2 μm teknolojisinin üstesinden gelmek için tasarlanmıştır. QFET'ler böylece mantık hızını on kat arttırır ve güç gereksinimlerini ve transistörün boyutunu aynı faktör kadar azaltır. Bu artışlar, düşük güç, küçük boyut ve yüksek hızdan yararlanan tasarım otomasyon araçlarının geliştirilmesinde kullanım için QFET cihazları sağlar.

Ayrıca bakınız

• MOSFET uygulamalarının listesi
• Kuantum hesaplama
• kuantum kuyusu

Referanslar