第14节 量子器件 (修订中)

[TOC]

大多数[集成电路](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/experiments/chpt- 晶体管 (opens new window). 自 1960 年代后期以来，每隔几年就会发生一次几何尺寸缩小，从而提高电路密度——在相同空间内以更低的成本提供更多的电路。在撰写本文时（2006 年），MOS 晶体管的栅极长度为 65 纳米，用于前沿生产，预计一年内将达到 45 纳米。在 65 nm 处，泄漏电流变得很明显。在 45 纳米制程中，需要大胆的创新来最大限度地减少这种泄漏。预计 20 至 30 纳米 MOS 晶体管的收缩将结束。尽管有些人认为 1 到 2 纳米是极限。光刻或其他光刻技术将继续改进，提供更小的几何形状。然而，传统的 MOS 晶体管预计不能用于 20 到 30 纳米以下的这些较小的几何形状。

改进的光刻技术必须应用于传统晶体管以外的尺寸（小于 20 到 30 纳米）。令人反感的 MOS 泄漏电流是由于量子力学效应——通过栅极氧化物的电子隧道效应和窄沟道造成的。总之，量子力学效应是越来越小的传统 MOS 晶体管的障碍。通往更小的几何器件的道路涉及独特的有源器件，这些器件实际利用了量子力学原理。随着物理几何变得非常小，电子可以被视为量子力学等价物：波。利用量子力学原理的器件包括谐振隧道二极管、量子隧道晶体管、金属绝缘体金属二极管和量子点晶体管。

1. 量子隧道

__量子隧穿：__是电子通过与德布罗意电子波长相比薄的绝缘势垒。如果“电子波”比屏障大，则波有可能出现在屏障的两侧。

电子是否越过障碍的经典观点。量子力学视图允许电子通过势垒隧穿。概率（绿色）与势垒厚度有关。图1之后

在经典物理学中，电子必须具有足够的能量才能越过障碍。否则，它会从屏障中反弹。（上图）量子力学允许电子在势垒的另一侧的概率。如果将其视为波，与势垒的厚度相比，电子可能看起来相当大。就算被当作波，也只有很小的概率会出现在厚厚的屏障的另一边。见曲线的绿色部分，上图。使势垒变薄会增加在势垒另一侧发现电子的可能性。

2. 隧道二极管

__隧道二极管：_不合格的术语[隧道二极管](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- 第 3 (opens new window)章。

3. 谐振隧道二极管 (RTD)

__RTD，谐振隧道二极管：__这是一种量子器件，不要与传统的重掺杂双极半导体Esaki 隧道二极管CH 3混淆。 (opens new window)电子在谐振_隧__穿二极管_中穿过由流动源中的阱隔开的两个势垒到漏极。隧穿也称为量子力学隧穿。电子的流动由二极管偏压控制。这将源中电子的能级与阱中的量子化能级相匹配，以便电子可以隧穿势垒。因为阱很小，所以阱中的能级被量化。当能级相等时，_共振_发生，允许电子流过势垒，如下图（b）所示。分别在下图 (a) 和 (c) 中，没有偏压或偏压过多会在源极和阱之间产生能量失配，并且不会导通。

谐振隧道二极管 (RTD)： (a) 无偏置，源极和阱能级不匹配，无导通。(b) 小的偏差导致匹配的能级（共振）；传导结果。(c) 进一步的偏置不匹配能级，降低传导。

随着 RTD 上的偏置从零增加，电流增加然后减少，对应于关闭、开启和关闭状态。这使得通过用一对 RTD 代替两个晶体管来简化传统晶体管电路成为可能。例如，两个背靠背的 RTD 和一个晶体管形成一个存储单元，与传统电路相比，使用更少的组件、更少的面积和更少的功率。RTD 的潜在应用是通过替换一些（尽管不是全部）晶体管来减少传统晶体管电路的元件数量、面积和功耗。[GEP] RTD 的振荡频率高达 712 GHz。[再培训局]

4. 双层隧道晶体管 (Deltt)

__双层隧道晶体管：德尔特，也称为_双层隧道晶体管，由一对由绝缘体或高带隙半导体隔开的导电阱构成。（下图）阱非常薄，以至于电子被限制在二维范围内。这些被称为_量子阱。一对这样的量子阱由薄的 GaAlAs 高带隙（不易导电）层绝缘。电子可以_隧穿_如果两个量子阱中的电子具有相同的动量和能量，则穿过绝缘层。井非常薄，以至于电子可以被视为波——粒子和波的量子力学二元性。可以调整顶部和可选的底部控制栅极以均衡电子的能级（共振）以允许从源极到漏极的传导。下图，势垒图红色条显示井中不相等的能级，即“关闭状态”条件。栅极的适当偏置使阱中电子的能级相等，即“通态”条件。这些条将在能级图中处于同一水平。

双层隧道晶体管 (Deltt) 由两个由非导电势垒隔开的含电子阱组成。可以调节栅极电压以使阱中电子的能量和动量相等，这允许电子隧穿通过非导电势垒。（能级在势垒图中显示为不相等。）

如果栅极偏压增加到超过隧穿所需的值，则量子阱中的能级不再匹配，隧穿被抑制，源极到漏极的电流减小。总而言之，从零开始增加栅极偏置会导致开、关、开条件。这允许一对 Deltt's 以 CMOS 互补对的方式堆叠；但是，不需要不同的 p 型和 n 型晶体管。电源电压约为 100 mV。已生产出实验性 Deltt，可在 4.2 K、77 K 和 0o C 附近运行。预计会有室温版本。[GEP] [IGB] [PFS]

5. 金属-绝缘体-绝缘体-金属 (MIIM)

__MIIM 二极管：金属-绝缘体-绝缘体-金属(MIIM) 二极管是一种量子隧穿器件，并非基于半导体。请参见下面的“MIIM 二极管部分”图。与德布罗意电子波长相比，绝缘层必须薄，才能实现量子隧穿。对于二极管作用，必须有一个首选的隧穿方向，从而导致二极管正向特性曲线急剧弯曲。MIIM 二极管的正向曲线比金属绝缘体金属 (MIM) 二极管更陡峭，此处不予考虑。

金属绝缘体绝缘体金属 (MIIM) 二极管：二极管的横截面。无偏压、正向偏压和反向偏压的能级。图 1 之后。

在上图中的“无偏压”图中，M1 和 M2 的能级相等。然而，由于高 I1 和 I2 势垒，（热）电子无法流动。金属 M2 中的电子在上图中的“反向偏压”中具有更高的能级，但仍然无法克服绝缘体势垒。随着上图“正向偏置”的增加，在绝缘体之间形成了一个_量子阱_，一个可能存在电子的区域。如果 M1 基于与量子阱相同的能级，则电子可以通过绝缘体 I1。一个简单的解释是通过绝缘体的距离更短。更长的解释是，随着偏置的增加，电子波从 M1 重叠到量子阱的概率增加。有关更详细的说明，请参阅 Phiar Corp. [PHI]

MIIM 器件在比微波晶体管更高的频率（3.7 THz）下工作。[RCJ3] 向 MIIM 二极管添加第三个电极会产生晶体管。

6. 量子点晶体管

__量子点晶体管：_孤立的导体可能会带上电荷，对于大型物体，以库仑为单位。对于称为_量子点_的纳米级隔离导体，电荷以电子为单位进行测量。一个 1 到 3 纳米的量子点可能会带上一个电子的增量电荷。这是_量子点晶体管_的基础，也称为_单电子晶体管。

一个量子点放置在一个薄绝缘体上的一个富含电子的源上，被称为_单电子盒_。（下图（ (opens new window) a））转移电子所需的能量与点的大小和点上已经存在的电子数量有关。

量子点上方的栅电极可以调整点的能级，从而使电子（作为波）从源通过绝缘体的量子力学隧道效应成为可能。（下图（ (opens new window) b））因此，单个电子可能会隧穿到点。

(a) 单电子盒，一个被绝缘体与电子源隔开的孤立量子点。(b) 栅极上的正电荷使量子点极化，将电子从源极隧穿到点。(c) 量子晶体管：沟道被隧道势垒包围的量子点所取代。

如果量子点被隧道势垒包围并嵌入在传统 FET 的源极和漏极之间，如上图 (c) 所示，则量子点上的电荷可以调节电子从源极到漏极的流动。随着栅极电压的增加，源极到漏极的电流增加，直到一个点。栅极电压的进一步增加会降低漏极电流。这类似于 RTD 和 Deltt 谐振设备的行为。构建互补逻辑门只需要一种晶体管。[GEP]

7. 单电子晶体管

__单电子晶体管：__如果一对导体、超导体或半导体被一对隧道势垒（绝缘体）隔开，围绕着一个微小的导电岛，如量子点，则单个电荷的流动（超导体的库珀对）可以由门控制。这是一个类似于上图（c）的_单电子晶体管。_增加栅极上的正电荷，允许电子隧穿到岛。如果它足够小，低电容将导致点电位因单电子而大幅上升。由于电子电荷，没有更多的电子可以隧道到岛。_这在库仑封锁_中是众所周知的。隧穿到岛的电子可以隧穿到漏极。

单电子晶体管几乎在绝对零下工作。石墨烯单电子晶体管是个例外，它有一个石墨烯岛。它们都是实验装置。

8. 石墨烯和碳纳米管晶体管

__石墨烯晶体管：__石墨是碳的同素异形体，不具有金刚石的刚性互锁晶体结构。尽管如此，它具有晶体结构——一个原子厚，即所谓的二维结构。石墨是一种三维晶体。然而，它分裂成薄片。实验者将这一点发挥到了极致，产生了微米大小的斑点，其厚度与被称为_石墨烯_的单个原子一样薄。（下图（a））这些膜具有独特的电子特性。高度导电，通过电子或空穴进行传导，无需任何类型的掺杂。[AKG]

石墨烯片可以通过光刻技术切割成晶体管结构。晶体管与 MOSFET 有一些相似之处。电容耦合到石墨烯通道的栅极控制传导。

随着硅晶体管尺寸变小，泄漏会随着功率耗散而增加。而且它们每隔几年就会变小。石墨烯晶体管的功耗很小。而且，它们以高速切换。有一天，石墨烯可能会替代硅。

石墨烯可以制成小到六十个原子宽的器件。如此小的晶体管内的石墨烯量子点可用作_单电子晶体管_。以前由超导体或传统半导体制成的单电子晶体管在绝对零附近工作。石墨烯单电子晶体管在室温下具有独特的功能。[JWA]

石墨烯晶体管目前是实验室的珍品。如果要在二十年后投产，就必须生产石墨烯晶片。第一步，通过化学气相沉积 (CVD) 生产石墨烯已在实验规模上完成。不过，迄今为止还没有晶圆可用。

(a) 石墨烯：单片碳的石墨同素异形体。原子排列成六边形，每个交叉点都有一个碳原子。(b) 碳纳米管：卷起的石墨烯片。

__碳纳米管晶体管：_如果将二维石墨烯片卷起来，得到的一维结构被称为_碳纳米管。（上图（b））将其视为一维的原因是它具有高导电性。电子穿过碳纳米管而不被晶格散射。普通金属的电阻是由金属晶格的电子散射引起的。如果电子避免了这种散射，则称传导是通过_弹道传输_进行的。已经生产了金属（作用）和半导体碳纳米管。[MBR]

场效应晶体管可由碳纳米管通过在端部沉积源极和漏极触点，并将栅极电容耦合到触点之间的纳米管来制成。p 型和 n 型晶体管都已制成。为什么对碳纳米管晶体管感兴趣？与硅晶体管相比，纳米管半导体体积更小、速度更快、功率更低。[PNG]

9. 自旋电子学

__自旋电子学：__传统的半导体控制电子电荷、电流的流动。数字状态由电流的“开”或“关”流动表示。随着半导体向更小的几何形状移动而变得更加密集，必须作为热量消散的功率增加到难以消除的程度。电子具有电荷以外的性质，例如自旋。_电子自旋_的初步解释是分布的电子电荷围绕自旋轴的旋转，类似于地球的昼夜自转。电荷运动产生的电流回路形成磁场。然而，电子更像是点电荷而不是分布电荷，因此，旋转分布电荷的类比并不是对自旋的正确解释。电子自旋可能具有两种状态之一：向上或向下，这可能代表数字状态。更准确地说，[自旋](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt- [DDA]

控制电子自旋而不是电荷流动可显著降低功耗并提高开关速度。自旋电子学是__SPIN TRansport_电子学的首字母缩写词，由于难以产生、控制和感应电子自旋而没有得到广泛应用。然而，高密度、非易失性磁自旋存储器正在使用改进的半导体工艺进行生产。这与计算机硬盘驱动器中使用的_自旋阀磁读头有关，此处不再赘述。

一个简单的_磁性隧道结 (MTJ)如下图 (a) 所示，由一对_铁磁性、强磁性（如铁 (Fe)）组成，由薄绝缘体隔开。由于电子的量子力学特性——电子的波动性，电子可以穿过足够薄的绝缘体。流过 MTJ 的电流是铁磁层的磁化、自旋极性的函数。如果顶层的磁自旋与底层的磁自旋方向（极性）相同，则 MTJ 的电阻较低。如果两层的磁自旋相反，则电阻更高。[WJG]

(a) 磁隧道结 (MTJ)：由薄绝缘体隔开的一对铁磁层。电阻随顶层的磁化极性而变化 (b) 反铁磁偏置磁体和固定的底部铁磁层增加了对顶部铁磁层极性变化的电阻敏感性。改编自 [WJG] 图 3。

在上图 (b) 的底层下方添加_反铁磁体_可以增强电阻的变化，这种材料具有对齐但相反的自旋。该偏置磁铁_将_下铁磁层自旋固定到一个不变的极性。顶层磁化（自旋）可以通过施加图中未示出的外部磁场来翻转以表示数据。钉扎层不受外部磁场的影响。同样，当顶部铁磁层的自旋与底部钉扎铁磁层的自旋方向相同时，MTJ 电阻最低。[WJG]

MTJ 可以通过将被钉扎的铁磁层分成由下图 (a) 中的缓冲层隔开的两层来进一步改进。这隔离了顶层。底部铁磁层由反铁磁体固定，如上图所示。缓冲器顶部的铁磁层被底部铁磁层吸引。异性相吸。因此，由于吸引力，附加层的自旋极性与底层相反。底部和中间铁磁层保持固定。顶部铁磁层可以通过邻近导体（未示出）中的高电流设置为任一自旋极性。这就是数据的存储方式。通过隧道结的电流差异读出数据。如果绝缘层两侧的层具有相同的自旋，则电阻最低。[WJG]

(a) 通过缓冲层分割 (b) 的钉扎铁磁层提高了稳定性并隔离了顶部铁磁未钉扎层。数据根据自旋极性存储在顶部铁磁层中 (b) 嵌入在半导体芯片读取线中的 MTJ 单元——许多 MTJ 之一。改编自 [IBM]

磁性隧道结阵列可以嵌入硅晶片中，其中导体连接顶部和底部端子，用于从具有传统[CMOS 电路](https://www.allaboutcircuits.com/textbook/digital/chpt- [IBM]

对磁性隧道结存储器感兴趣的主要原因是它是_非易失性_的。“关闭”电源时不会丢失数据。其他类型的非易失性存储器只能进行有限的存储周期。MTJ 存储器的速度也高于大多数半导体存储器类型。它现在（2006 年）是一种商业产品。[TLE]

理论上的自旋晶体管不是商业产品，甚至不是实验室设备，它有朝一日可能使自旋逻辑门成为可能。自旋晶体管是理论自旋二极管的衍生物。众所周知，流过钴铁铁磁体的电子会自旋极化。铁磁体充当过滤器，优先通过一个自旋的电子。这些电子可能会流入相邻的非磁性导体（或半导体），在短时间内（纳秒）保持自旋极化。然而，与半导体尺寸相比，自旋极化电子可以传播相当大的距离。自旋极化电子可以通过与半导体相邻的镍铁铁磁层来检测。[DDA] [RCJ2]

还表明当圆偏振光照射一些半导体材料时会发生电子自旋极化。因此，应该可以将自旋极化电子注入半导体二极管或晶体管。与耗散电荷流相比，对基于自旋的晶体管和栅极的兴趣在于自旋传播的非耗散性质。随着传统半导体的尺寸缩小，功耗增加。在某些时候，缩小规模将不再可行。研究人员正在寻找替代传统的基于电荷流的晶体管。该设备可能基于自旋电子学。[RCJ]

10. 总结

• 随着 MOS 栅极氧化物随着每一代更小的晶体管而变薄，过多的栅极泄漏会导致不可接受的功耗和发热。缩小传统半导体几何结构的极限在眼前。
• 谐振隧道二极管 (RTD)：在 RTD 中采用了降低传统半导体性能的量子力学效应。电子通过足够薄的绝缘体的流动是由电子-粒子波二象性的波动性质决定的。RTD 用作放大器。
• 双层隧道晶体管 (Deltt)： Deltt 是 RTD 的晶体管版本。栅极偏压控制电子从一个量子阱穿过薄绝缘体到另一个量子阱（源极到漏极）的能力。
• 量子点晶体管：能够保持电荷的量子点被薄隧道势垒包围，取代了传统 FET 的栅极。量子点上的电荷控制源极到漏极的电流流动。
• 自旋电子学：电子有两个基本属性：电荷和自旋。传统的电子设备控制电荷的流动，消耗能量。自旋电子器件操纵电子自旋，这是一种传播的、非耗散的过程。

相关练习：

• 半导体练习中的导电性 (opens new window)

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