Microsoft Word doc

разделении
электронов
и
дырок
, 
резонансном
туннелиро
-
вании
, 
возможности
перестройки
энергетического
спектра
. 
В
гетеропереходе
претерпевают
скачки
параметры
полу
-
проводников
: 
ширина
запрещенной
зоны
, 
подвижность
носите
-
лей
заряда
, 
их
эффективные
массы
и
т
.
д
. 
Скачкообразное
изме
-

---

158 
нение
свойств
полупроводника
на
гетеропереходе
дает
возмож
-
ность
целенаправленно
управлять
этими
свойствами
путем
под
-
бора
сопрягаемых
полупроводниковых
материалов
. 
Г
етеропере
-
ходы
используются
для
совершенствования
существующих
по
-
лупроводниковых
приборов
и
создания
принципиально
новых
приборов
различного
назначения
.
8.4. 
Применение
 
квантовых
 
структур
в
 
приборах
 
оптоэлектроники
 
Оптоэлектроника
 –
 
научно
-
техническое
 
направление
, 
в
 
ко
-
тором
 
исследуются
 
и
 
используются
 
эффекты
 
взаимного
 
преобра
-
зования
 
электрических
 
и
 
оптических
 
сигналов
 
в
 
веществе
 
и
 
на
 
этой
 
основе
 
создаются
 
устройства
 
для
 
генерации
, 
передачи
, 
хра
-
нения
, 
обработки
 
и
 
отображения
 
информации
. 
К
основным
элементам
оптоэлектроники
относятся
транзи
-
сторы
, 
полупроводниковые
источники
некогерентного
(
светодио
-
ды
) 
и
когерентного
(
лазеры
) 
излучения
, 
а
также
полупроводни
-
ковые
фотоприемники
. 
В
основе
действия
многих
вариантов
пере
-
численных
приборов
лежат
р
–
п
-
переходы
. 
Более
эффективными
для
оптоэлектроники
являются
гетеропереходы
на
границах
кон
-
такта
двух
различных
по
химическому
составу
полупроводников
. 
Особенно
широко
используются
в
оптоэлектронике
гетероперехо
-
ды
на
основе
соединений
элементов
III 
и
V 
групп
таблицы
Менде
-
леева
: Si–Ge, GaAs–Ge 
и
т
.
д
. 
Транзисторы
 
Транзисторами
(
триодами
) 
называются
устройства
, 
пред
-
назначенные
для
усиления
и
генерирования
электромагнитных
колебаний
. 
Термин
«
транзистор
» (
от
англ
. transfer – 
переносить
и
resistor – 
сопротивление
) 
означает
трехэлектродный
полупро
-
водниковый
электронный
прибор
, 
в
котором
ток
в
цепи
двух
электродов
управляется
третьим
. 
Действие
транзистора
можно
сравнить
с
действием
плотины
, 
которая
, 
перегораживая
реку
(
по
-

---

159 
стоянный
источник
), 
создает
перепад
уровней
воды
. 
Затрачивая
очень
небольшую
энергию
на
вертикальное
перемещение
затво
-
ра
, 
мы
можем
управлять
потоком
воды
огромной
мощности
, 
т
.
е
. 
энергией
мощного
постоянного
источника
. 
В
основу
первого
поколения
транзисторов
был
положен
эф
-
фект
эмиссии
электронов
из
нагретого
катода
и
управления
пото
-
ком
этих
электронов
в
вакууме
с
помощью
электрического
поля
. 
Термоэлектронная
эмиссия
была
открыта
американским
изобрета
-
телем
Т
.
А
. 
Эдисоном
(1889) 
и
исследована
английским
физиком
О
.
В
. 
Ричардсоном
(
Нобелевская
премия
, 1928). 
На
основе
описан
-
ного
эффекта
был
создан
активный
схемный
элемент
– 
радиолам
-
па
, 
позволяющая
выпрямлять
и
усиливать
электрический
сигнал
, 
а
также
генерировать
электромагнитные
колебания
. 
Радиолампа
(
рис
. 8.14) – 
это
стеклянная
вакуумная
кол
-
ба
(
лампа
) 
с
двумя
(
катод
, 
анод
) 
электродами
и
третьим
управ
-
ляющим
электродом
(
сеткой
). 
Катод
при
нагреве
создает
вблизи
своей
поверхности
не
-
которую
концентрацию
элек
-
тронов
. «
Тянущее
» 
поле
поло
-
жительно
заряженного
анода
формирует
из
этих
электронов
анодный
ток
. 
С
помощью
элек
-
трического
потенциала
, 
подан
-
ного
на
сетку
, 
можно
управлять
анодным
током
, 
например
усиливать
его
.
Это
позволяет
Рис
. 8.14. 
Схематическое
представление
триода
использовать
триод
в
электронных
схемах
в
качестве
усилителя
и
генератора
сигналов
. 
Поэтому
триод
относят
к
активными
схем
-
ным
элементам
в
отличие
от
пассивных
– 
резисторов
(
электриче
-
ские
сопротивления
), 
конденсаторов
(
электроемкости
), 
катушки
индуктивности
. 

---

160 
К
 
пятидесятым
 
годам
 
прошлого
 
столетия
 
ламповая
 
элек
-
троника
 
полностью
 
исчерпала
 
возможности
 
удовлетворять
 
за
-
просы
 
потребителей
 
электронной
 
техники
. 
Возникла
 
принципи
-
ально
 
иная
 
электроника
, 
основанная
 
на
 
особых
 
свойствах
 
полу
-
проводниковых
 
структур
. 
В
основе
полупроводниковых
транзисторов
лежат
р
–n-
пере
-
ходы
. 
Большая
разновидность
транзисторов
разделяется
на
две
группы
– 
биполярные
 
и
 
полевые
(
униполярные
). 
Протекание
тока
в
полевом
(
униполярном
) 
транзисторе
обусловлено
носителями
заряда
только
одного
знака
– 
электронами
или
дырками
(
основные
носители
). 
В
биполярном
транзисторе
ток
обусловлен
движением
зарядов
обоих
знаков
. 
В
 
униполярном
 
транзисторе
 
ток
 
протека
ет
 
в
 
узком
 
ка
-
нале
 
и
 
регулируется
 
внешним
 
полем
, 
перпендикулярным
 
току
. 
Поэтому
 
подобные
 
транзисторы
 
называются
 
еще
 
и
 
канальны
-
ми
 
или
 
полевыми
. 
Регулирующее
 
поле
 
создается
 
специальным
 
электродом
 – 
затвором
, 
который
 
может
 
работать
 
на
 
основе
 
р
–
п
-
перехода
. 
В
структуре
любого
транзистора
есть
три
вывода
– 
это
затвор
(
база
), 
исток
(
эмиттер
) 
и
сток
(
коллектор
) (
рис
. 8.15). 
Управление
током
в
выходной
цепи
осуществляется
либо
за
счет
изменения
входного
тока
, 
либо
входного
напряжения
. 
При
этом
даже
небольшое
варьирование
входных
величин
может
приводить
к
существенному
изменению
выходного
напряжения
и
тока
. 
Если
пропустить
через
участок
«
затвор
– 
исток
» 
слабый
ток
, 
он
будет
усилен
транзистором
в
десятки
и
даже
сотни
раз
, 
а
усиленный
ток
потечет
через
участок
«
исток
– 
сток
». 
Таким
образом
, 
при
помощи
изменения
напряжения
на
затворе
можно
регулировать
ток
между
истоком
и
стоком
. 
В
этом
смысле
за
-
твор
является
аналогом
сетки
лампового
триода
(
см
. 
рис
. 8.14); 
исток
и
сток
– 
аналоги
катода
и
анода
. 
Усиление
тока
связано
с
тем
, 
что
внешние
электрические
поля
и
токи
могут
изменять
плотность
носителей
заряда
в
полупроводнике
и
оказывать
су
-
щественное
влияние
на
его
электропроводность
. 

---

161 
Рис
. 8.15. 
Структурная
схема
униполярного
транзистора
с
затвором
на
основе
p–n
-
перехода
Важнейшей
сферой
применения
транзисторов
является
цифровая
техника
(
память
, 
процессоры
, 
компьютеры
, 
цифровая
связь
и
т
.
п
.), 
где
они
исполняют
роль
переключателей
. 
В
на
-
стоящий
момент
вся
современная
цифровая
техника
основана
на
так
называемых
МОП
-
транзисторах
, 
изготовленных
на
основе
трехслойной
структуры
(
металл
– 
оксид
– 
полупроводник
). 
Тран
-
зистор
может
работать
в
составе
интегральной
схемы
, 
собираемой
на
одном
кремниевом
кристалле
– 
чипе
. 
Чип
составляет
элемен
-
тарный
«
кирпичик
» 
для
построения
памяти
, 
процессора
и
т
.
п
. 
На
одном
чипе
, 
обычно
размером
1–2 
см
, 
размещаются
десятки
миллионов
МОП
-
транзисторов
, 
размеры
каждого
из
которых
не
превышают
45–60 
нанометров
(
рис
. 8.16). 
Рис
. 8.16. 
Современный
процессор
производства
компании
Intel. 
Размер
элементов
транзистора
в
таких
процессорах
менее
50 
нм

---

162 
На
протяжении
последних
десятков
лет
происходит
стре
-
мительная
миниатюризация
(
т
.
е
. 
уменьшение
размеров
) 
МОП
и
увеличение
степени
их
интеграции
(
т
.
е
. 
количества
на
одном
чипе
), 
причем
в
ближайшие
годы
ожидается
увеличение
степени
интеграции
вплоть
до
миллиарда
транзисторов
на
одном
чипе
. 
Однако
полупроводниковая
кремниевая
электроника
фактически
подошла
к
пределу
своих
возможностей
, 
связанному
с
фундамен
-
тальными
физическими
ограничениями
, 
не
позволяющими
в
даль
-
нейшем
на
ее
основе
создавать
все
более
производительные
и
ми
-
ниатюрные
устройства
. 
Традиционный
затвор
с
диэлектриком
из
двуокиси
кремния
(SiO
2
) 
имеет
толщину
всего
в
несколько
атом
-
ных
слоев
(~1,2 
нм
). 
Дальнейшее
уменьшение
его
толщины
приво
-
дит
к
значительным
утечкам
за
счет
туннельного
тока
(
проявление
квантовых
эффектов
) 
и
, 
как
следствие
, 
к
увеличению
потребления
энергии
и
тепловыделения
транзистора
. 
Следующим
шагом
миниатюризации
полевых
транзисто
-
ров
стало
применение
полупроводниковых
углеродных
нано
- 
трубок
, 
соединяющих
два
золотых
электрода
. 
Схематически
та
-
кое
устройство
показано
на
рис
. 8.17. 
При
приложении
неболь
-
шого
напряжения
к
затвору
, 
которым
является
кремниевая
под
-
ложка
, 
по
нанотрубке
между
истоком
и
стоком
течет
ток
. 
Если
ток
течет
, 
элемент
находится
в
состоянии
«
включено
», 
и
в
со
-
стоянии
«
выключено
» – 
в
противном
случае
. 
Обнаружено
, 
что
небольшое
напряжение
на
затворе
может
изменить
проводи
-
мость
нанотрубки
более
чем
в
10
6
раз
, 
что
сравнимо
со
значе
-
ниями
для
кремниевых
полевых
транзисторов
. 
Время
переклю
-
чения
такого
устройства
будет
очень
маленьким
, 
а
возможная
тактовая
частота
составляет
Терагерцы
, 
что
в
1000 
раз
быстрее
тактовой
частоты
существующих
процессоров
. 
Золотые
исток
и
сток
формируются
методами
нанолитографии
, 
а
диаметр
со
-
единяющей
их
нанотрубки
составляет
около
одного
нанометра
. 
Такие
малые
размеры
позволяют
поместить
на
чип
еще
большее
количество
переключателей
. 

---

163 
Рис
. 8.17. 
Схема
полевого
транзистора
на
основе
углеродной
нанотрубки
Следует
отметить
, 
что
помимо
разновидностей
полупровод
-
никовых
транзисторов
ведутся
разработки
объектов
совершенно
иной
категории
– 
одноэлектронных
транзисторов
, 
работающих
на
одной
единственной
молекуле
. 
На
1 
см
2
поверхности
возможно
размещение
10
13
молекулярных
транзисторов
, 
что
в
10
4
раза
боль
-
ше
плотности
сборки
в
современных
чипах
. 
Время
отклика
моле
-
кулярного
транзистора
на
внешнее
воздействие
равно
~10
–15
с
, 
то
-
гда
как
в
современных
устройствах
оно
составляет
~10
–9
с
. 
В
итоге
эффективность
молекулярного
транзистора
по
сравнению
с
совре
-
менными
транзисторами
должна
повыситься
в
~10
10
раз
. 
Однако
ключевой
проблемой
молекулярной
электроники
остается
интеграция
молекул
в
схему
. 
Принцип
решения
про
-
блемы
ясен
– 
это
должен
быть
процесс
самосборки
, 
основан
-
ный
на
молекулярном
распознавании
взаимно
дополняющих
структур
. 
Поэтому
специалисты
предсказывают
появление
мо
-
лекулярных
трнзисторов
(
и
компьютеров
на
их
основе
) 
при
-
мерно
к
2015 
году
. 
Разрабатываются
и
оптические
 
транзисторы
как
основ
-
ные
элементы
для
фотоники
, 
в
которых
в
качестве
передающего
звена
выступают
не
электроны
, 
а
фотоны
. 

---

164