Баллистический транзистор

Баллистические транзисторы — собирательное название электронных устройств, где носители тока движутся без диссипации энергии и длина свободного пробега носителей много больше размера канала транзистора. В теории эти транзисторы позволят создать высокочастотные (ТГц диапазон) интегральные схемы, поскольку быстродействие определяется временем пролёта между эмиттером и коллектором или другими словами расстоянием между контактами, делённым на скорость электронов. В баллистическом транзисторе скорость электронов определяется фермиевской скоростью, а не дрейфовой скоростью связанной с подвижностью носителей тока. Для реализации такого типа транзистора необходимо исключить рассеяние на дефектах кристалла в токовом канале (включая рассеяние на фононах), что можно достичь только в очень чистых материалах, таких как гетероструктура GaAs/AlGaAs. Двумерный электронный газ сформированный в GaAs квантовой яме обладает высокой подвижностью при низкой температуре и соответственно большей, чем в других материалах длиной свободного пробега, что позволяет создавать при помощи электронной литографии устройства где траекторией электронов можно управлять с помощью затворов или зеркально рассеивающих дефектов, хотя обычный полевой транзистор тоже будет работать, как баллистический (при достаточно малых размерах). Баллистические транзисторы также созданы на основе углеродных нанотрубок, где благодаря отсутствию обратного рассеяния (длина свободного пробега увеличивается до линейного размера трубки) рабочие температуры даже выше, чем в случае с GaAs.

Углеродные нанотрубки

Транспорт в одностенных металлических нанотрубках баллистический, но до 2003 года использовать нанотрубки при создании баллистических транзисторов не получалось поскольку не было известно хорошего материала для омического контакта. Между никелем (титаном) и одностенной металлической углеродной нанотрубкой формируется барьер Шоттки. Эту проблему удалось решить благодаря использованию палладия (для p-типа проводимости), который обладает большой работой выхода и лучшей смачиваемостью (однородное распределение палладия по нанотрубке, в отличие от платины). Такие транзисторы работают при комнатной температуре, хотя при работе в одномодовом режиме сопротивление транзистора в открытом состоянии не меньше чем 6 кОм.

Пример реализации

Вместо, требующего большу́ю мощность управления, полного запирания затвором потока множества медленных электронов, как это делается в обычных полевых транзисторах, в баллистических транзисторах применяется изменение направления ускоряющихся быстрых одиночных электронов электромагнитными силами, требующее значительно меньшую мощность управления. Под действием электрического поля медленные электроны из материала токоподводящего электрода переходят в тонкий сверхпроводящий слой полупроводника транзистора. Медленные электроны, вошедшие в полупроводник, ускоряются электрическим полем схемы на всём пути в полупроводнике. Летящие в тонкой плёнке полупроводника с большой скоростью быстрые электроны не сталкиваются с атомами полупроводника и образуют двумерный электронный газ (не молекулярный). Затем ускоряющиеся электроны отклоняются электрическим или магнитным полем управляющих электродов и направляются по одному из путей. При двух путях, один из путей соответствует логическому "0", а другой - логической "1". Затем быстрые электроны сталкиваются или со стенкой одного из путей или с клиновидным отражателем (дефлектором) отражающими электроны границей полупроводника и донаправляются ими в нужное русло. Название "баллистический" было выбрано для отражения свойства отдельных электронов проходить тонкоплёночный сверхпроводящий слой полупроводника баллистического транзистора без столкновений с атомами полупроводника, действуя в полупроводнике, как двухмерный электронный газ..

История

Первыми баллистическими устройствами были баллистические двухполупериодные выпрямители, сделанные из InGaAs–InP гетероструктуры и детектировавшие (выпрямлявшие) переменный ток частотой до 50 ГГц.

Технология

В сверхпроводящей тонкой плёнке полупроводника с названием 2-Dimention Electron Gas (2-DEG, 2DEG) на подложке электронным лучом удаляются ненужные части полупроводника, оставшаяся часть полупроводника является баллистическим двухполупериодным выпрямителем, а при добавлении управляющих электродов — баллистическим дифференциальным усилителем.

Преимущества

Преимуществами являются меньшие размеры, отсутствие дробового шума при низкой температуре, меньшая потребляемая мощность и более высокая (терагерцы) частота переключений. Эта технология была впервые разработана в Рочестерском Университете (Штат Нью-Йорк, США), в котором был создан исследовательский прототип, остающийся понятийным до сего времени. Прототип был сделан в Cornell Nanofabrication Facility, входящей в партнёрство NNIN НИО США, работающих в области нанотехнологий, с поддержкой Office of Naval Research. Этот прототип подобен интегральным дифференциальным парам транзисторов, что определяет возможные области его применения (дифференциальные входные каскады операционных усилителей, компараторов, логические схемы подобные ЭСЛ, эмиттерно-связанные триггеры Шмитта и др.).

См. также

• Транзистор
• Сверхпроводник
• Дифференциальный усилитель

Ссылки

• CMOS Emerging Technology Workshop 2007. Ballistic Transistor Technology – Next Paradigm in IC Design. Martin Margala¹, and Quentin Diduck². 1 University of Massachusetts Lowell. 2 Cornell University www.cmoset.com/uploads/12.4.pdf
• Radical 'Ballistic Computing' Chip Bounces Electrons Like Billiards www.rochester.edu/news/show.php?id=2585
• Видеоклип с анимацией модели баллистического транзистора www.rochester.edu/news/photos/hi_res/BallisticTransistor/BallisticMovie.wmv
• Баллистический транзистор играет электронами в атомный бильярд. Владислав Карелин. membrana, 18 августа 2006 www.membrana.ru/particle/3107
• Баллистический транзистор играет электронами в атомный бильярд art.thelib.ru/science/inventions/ballisticheskiy_tranzistor_igraet_elektronami_v_atomniy_bilyard.html
• Чип и Дип Видео. Баллистический транзистор. Евгений Глазков www.chipdip.ru/video.aspx?vid=ID000309492
• United States Patent No.: US 7,576,353 B2 Aug. 18, 2009 www.docstoc.com/docs/57560802/Ballistic-Deflection-Transistor-And-Logic-Circuits-Based-On-Same---Patent-7576353
• Ballistic Deflection Transistors and the Emerging Nanoscale Era. SECTION III BALLISTIC TRANSPORT DEVICES. B. Ballistic Deflection Transistors ieeexplore.ieee.org/ieee_pilot/articles/5076158/05117685/article.html

Отрывок, характеризующий Баллистический транзистор

– Ah, maman, ne dites pas de betises. Vous ne comprenez rien. Dans ma position j'ai des devoirs, [Ах, маменька, не говорите глупостей. Вы ничего не понимаете. В моем положении есть обязанности.] – заговорилa Элен, переводя разговор на французский с русского языка, на котором ей всегда казалась какая то неясность в ее деле.
– Но, мой друг…
– Ah, maman, comment est ce que vous ne comprenez pas que le Saint Pere, qui a le droit de donner des dispenses… [Ах, маменька, как вы не понимаете, что святой отец, имеющий власть отпущений…]
В это время дама компаньонка, жившая у Элен, вошла к ней доложить, что его высочество в зале и желает ее видеть.
– Non, dites lui que je ne veux pas le voir, que je suis furieuse contre lui, parce qu'il m'a manque parole. [Нет, скажите ему, что я не хочу его видеть, что я взбешена против него, потому что он мне не сдержал слова.]
– Comtesse a tout peche misericorde, [Графиня, милосердие всякому греху.] – сказал, входя, молодой белокурый человек с длинным лицом и носом.
Старая княгиня почтительно встала и присела. Вошедший молодой человек не обратил на нее внимания. Княгиня кивнула головой дочери и поплыла к двери.
«Нет, она права, – думала старая княгиня, все убеждения которой разрушились пред появлением его высочества. – Она права; но как это мы в нашу невозвратную молодость не знали этого? А это так было просто», – думала, садясь в карету, старая княгиня.

В начале августа дело Элен совершенно определилось, и она написала своему мужу (который ее очень любил, как она думала) письмо, в котором извещала его о своем намерении выйти замуж за NN и о том, что она вступила в единую истинную религию и что она просит его исполнить все те необходимые для развода формальности, о которых передаст ему податель сего письма.
«Sur ce je prie Dieu, mon ami, de vous avoir sous sa sainte et puissante garde. Votre amie Helene».
[«Затем молю бога, да будете вы, мой друг, под святым сильным его покровом. Друг ваш Елена»]
Это письмо было привезено в дом Пьера в то время, как он находился на Бородинском поле.


Во второй раз, уже в конце Бородинского сражения, сбежав с батареи Раевского, Пьер с толпами солдат направился по оврагу к Князькову, дошел до перевязочного пункта и, увидав кровь и услыхав крики и стоны, поспешно пошел дальше, замешавшись в толпы солдат.
Одно, чего желал теперь Пьер всеми силами своей души, было то, чтобы выйти поскорее из тех страшных впечатлений, в которых он жил этот день, вернуться к обычным условиям жизни и заснуть спокойно в комнате на своей постели. Только в обычных условиях жизни он чувствовал, что будет в состоянии понять самого себя и все то, что он видел и испытал. Но этих обычных условий жизни нигде не было.
Хотя ядра и пули не свистали здесь по дороге, по которой он шел, но со всех сторон было то же, что было там, на поле сражения. Те же были страдающие, измученные и иногда странно равнодушные лица, та же кровь, те же солдатские шинели, те же звуки стрельбы, хотя и отдаленной, но все еще наводящей ужас; кроме того, была духота и пыль.
Пройдя версты три по большой Можайской дороге, Пьер сел на краю ее.
Сумерки спустились на землю, и гул орудий затих. Пьер, облокотившись на руку, лег и лежал так долго, глядя на продвигавшиеся мимо него в темноте тени. Беспрестанно ему казалось, что с страшным свистом налетало на него ядро; он вздрагивал и приподнимался. Он не помнил, сколько времени он пробыл тут. В середине ночи трое солдат, притащив сучьев, поместились подле него и стали разводить огонь.
Солдаты, покосившись на Пьера, развели огонь, поставили на него котелок, накрошили в него сухарей и положили сала. Приятный запах съестного и жирного яства слился с запахом дыма. Пьер приподнялся и вздохнул. Солдаты (их было трое) ели, не обращая внимания на Пьера, и разговаривали между собой.
– Да ты из каких будешь? – вдруг обратился к Пьеру один из солдат, очевидно, под этим вопросом подразумевая то, что и думал Пьер, именно: ежели ты есть хочешь, мы дадим, только скажи, честный ли ты человек?
– Я? я?.. – сказал Пьер, чувствуя необходимость умалить как возможно свое общественное положение, чтобы быть ближе и понятнее для солдат. – Я по настоящему ополченный офицер, только моей дружины тут нет; я приезжал на сраженье и потерял своих.
– Вишь ты! – сказал один из солдат.
Другой солдат покачал головой.
– Что ж, поешь, коли хочешь, кавардачку! – сказал первый и подал Пьеру, облизав ее, деревянную ложку.
Пьер подсел к огню и стал есть кавардачок, то кушанье, которое было в котелке и которое ему казалось самым вкусным из всех кушаний, которые он когда либо ел. В то время как он жадно, нагнувшись над котелком, забирая большие ложки, пережевывал одну за другой и лицо его было видно в свете огня, солдаты молча смотрели на него.
– Тебе куды надо то? Ты скажи! – спросил опять один из них.
– Мне в Можайск.
– Ты, стало, барин?
– Да.
– А как звать?
– Петр Кириллович.
– Ну, Петр Кириллович, пойдем, мы тебя отведем. В совершенной темноте солдаты вместе с Пьером пошли к Можайску.
Уже петухи пели, когда они дошли до Можайска и стали подниматься на крутую городскую гору. Пьер шел вместе с солдатами, совершенно забыв, что его постоялый двор был внизу под горою и что он уже прошел его. Он бы не вспомнил этого (в таком он находился состоянии потерянности), ежели бы с ним не столкнулся на половине горы его берейтор, ходивший его отыскивать по городу и возвращавшийся назад к своему постоялому двору. Берейтор узнал Пьера по его шляпе, белевшей в темноте.
– Ваше сиятельство, – проговорил он, – а уж мы отчаялись. Что ж вы пешком? Куда же вы, пожалуйте!
– Ах да, – сказал Пьер.
Солдаты приостановились.
– Ну что, нашел своих? – сказал один из них.
– Ну, прощавай! Петр Кириллович, кажись? Прощавай, Петр Кириллович! – сказали другие голоса.
– Прощайте, – сказал Пьер и направился с своим берейтором к постоялому двору.
«Надо дать им!» – подумал Пьер, взявшись за карман. – «Нет, не надо», – сказал ему какой то голос.
В горницах постоялого двора не было места: все были заняты. Пьер прошел на двор и, укрывшись с головой, лег в свою коляску.


Едва Пьер прилег головой на подушку, как он почувствовал, что засыпает; но вдруг с ясностью почти действительности послышались бум, бум, бум выстрелов, послышались стоны, крики, шлепанье снарядов, запахло кровью и порохом, и чувство ужаса, страха смерти охватило его. Он испуганно открыл глаза и поднял голову из под шинели. Все было тихо на дворе. Только в воротах, разговаривая с дворником и шлепая по грязи, шел какой то денщик. Над головой Пьера, под темной изнанкой тесового навеса, встрепенулись голубки от движения, которое он сделал, приподнимаясь. По всему двору был разлит мирный, радостный для Пьера в эту минуту, крепкий запах постоялого двора, запах сена, навоза и дегтя. Между двумя черными навесами виднелось чистое звездное небо.
«Слава богу, что этого нет больше, – подумал Пьер, опять закрываясь с головой. – О, как ужасен страх и как позорно я отдался ему! А они… они все время, до конца были тверды, спокойны… – подумал он. Они в понятии Пьера были солдаты – те, которые были на батарее, и те, которые кормили его, и те, которые молились на икону. Они – эти странные, неведомые ему доселе они, ясно и резко отделялись в его мысли от всех других людей.
«Солдатом быть, просто солдатом! – думал Пьер, засыпая. – Войти в эту общую жизнь всем существом, проникнуться тем, что делает их такими. Но как скинуть с себя все это лишнее, дьявольское, все бремя этого внешнего человека? Одно время я мог быть этим. Я мог бежать от отца, как я хотел. Я мог еще после дуэли с Долоховым быть послан солдатом». И в воображении Пьера мелькнул обед в клубе, на котором он вызвал Долохова, и благодетель в Торжке. И вот Пьеру представляется торжественная столовая ложа. Ложа эта происходит в Английском клубе. И кто то знакомый, близкий, дорогой, сидит в конце стола. Да это он! Это благодетель. «Да ведь он умер? – подумал Пьер. – Да, умер; но я не знал, что он жив. И как мне жаль, что он умер, и как я рад, что он жив опять!» С одной стороны стола сидели Анатоль, Долохов, Несвицкий, Денисов и другие такие же (категория этих людей так же ясно была во сне определена в душе Пьера, как и категория тех людей, которых он называл они), и эти люди, Анатоль, Долохов громко кричали, пели; но из за их крика слышен был голос благодетеля, неумолкаемо говоривший, и звук его слов был так же значителен и непрерывен, как гул поля сраженья, но он был приятен и утешителен. Пьер не понимал того, что говорил благодетель, но он знал (категория мыслей так же ясна была во сне), что благодетель говорил о добре, о возможности быть тем, чем были они. И они со всех сторон, с своими простыми, добрыми, твердыми лицами, окружали благодетеля. Но они хотя и были добры, они не смотрели на Пьера, не знали его. Пьер захотел обратить на себя их внимание и сказать. Он привстал, но в то же мгновенье ноги его похолодели и обнажились.