Полевые транзисторы на отраженных электронах.

В гетероструктурах с модулируемым легированием GaAs/AlGaAs средняя длина свободного пробега электронов в двухмерном электронном газе может превышать 10 мкм при низких температурах. Это позволяет создавать по суще­ствующей микроэлектронной технологии приборы, в которых электроны рас­пространяются баллистически между стоком и истоком, кроме случайных столкновений с границами раздела. Соответствующий электрический ток мо­жет отражаться, следуя траекториям отдельных электронов, таким же путем, как и световые лучи, то есть по законам геометрической оптики. Аналогия с геометрической оптикой была использована для того, чтобы конструировать линзы и призмы с полевым эффектом, которые могут изменять траектории бал­листических электронов. Изменяя отражение границ раздела с помощью внеш­него смещения, можно контролировать ток, текущий между парой контактов, что позволяет строить полевые транзисторы на отраженных электронах. Линзы и призмы могут быть сделаны из металлических затворов, которые изменяют плотность основного двумерного электронного газа, обеспечивая отражение на границе раздела между управляемой и неуправляемой областями.

На границе раздела между управляемой (под затвором) и неуправляемой областями двухмерного электронного газа концентрация электронов изменяет­ся приблизительно ступенчато благодаря изгибу края зоны проводимости (рис.1.11).

Рис.1.11. Граница раздела между управляемой и неуправляемой областями двухмерного электронного газа (а) и оптическая аналогия преломления лучей (б).

Сила, связанная с искривлением зоны, действует перпендикулярно границе раздела, и поэтому момент электрона в направлении, параллельном границе раздела, сохраняется, то есть p₁sinΘ₁ = p₂sinΘ₂. С другой стороны, мо­мент электрона в двухмерном электронном газе задается величиной ћk_F и, так как k_F= (2πn)^1/2, где п - концентрация электронов, получаем:

sinΘ₁ / sinΘ₂ = (n₂/n₁)^1/2.

Это выражение аналогично закону преломления оптических лучей.

Идея использования преломления траектории электронов для переключе­ния тока между различными контактами к двухмерному электронному газу впервые была предложена и продемонстрирована Спектором и др. (1990). Структура, которую они использовали, формировалась поверхностными затво­рами, как это схематически показано на рис. 1.12. Хотя геометрия такого затво­ра достаточно сложна, в ее состав входят только три основных элемента, вклю­чающих точечный электронный эмиттер, три коллектора, обозначенных буква­ми А, В и С, и преломляющая призма. Эмиттер и коллекторные затворы под­держиваются при фиксированном и относительно высоком обратном смеще­нии, что обеспечивает их действие как узких апертур, в то время как напряже­ние на затворе призмы варьируется для изменения электронной плотности под ней.

Рис.1.12. Структура преломляющего переключателя для баллистических электронов. Исток и несколько стоков, общий затвор и под ним тонкий управляющий затвор.

Электроны движутся баллистически между эмиттером и коллекторами. На их траектории можно повлиять управляющей призмой, находящейся между ними. Электроны отклоняются от (или к) нормали, если концентрация электро­нов над затвором меньше (больше), чем под затвором. Под действием уско­ряющего напряжения на управляющей призме (от большого обратного смеще­ния до среднего прямого смещения) можно ускорить распространение элек­тронного луча через коллекторы А, В и С. В рабочем режиме получены явно выраженные пики токов для каждого коллектора при напряжениях затвора, равных тем, которые рассчитаны методом построения лучей.

Полевой транзистор на преломленных электронах может работать (пере­ключать), находясь между многоканальными выходами и даже многоканаль­ными входами, так как встречные пучки баллистических электронов имеют не­значительное взаимодействие. Эти приборы могут быть скомпонованы так, чтобы выполнять довольно сложные операции, такие как переключение эле­ментов при параллельной обработке сигналов. Ограничением же для таких приборов, по-прежнему, остается требование низких рабочих температур.

Дата добавления: 2015-10-28