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
Do'stlaringiz bilan baham: |