Geometrisk diod
Geometriska dioder , även kända som morfologiska dioder, använder formen på sin struktur och ballistisk /kvasiballistisk elektrontransport för att skapa diodbeteende. Geometriska dioder skiljer sig från alla andra former av dioder eftersom de inte är beroende av en utarmningsregion eller en potentiell barriär för att skapa sitt diodbeteende. Istället för en potentiell barriär skapar en asymmetri i materialets geometri (det vill säga i storleksordningen av den genomsnittliga fria banan för laddningsbäraren) en asymmetri i förspänningsströmmen framåt och bakåt (alias en diod).
Skapa en geometrisk diod
Geometriska dioder är gjorda av ett kontinuerligt material (som lägger till en varning för 2D-elektrongaser som är skiktade system) som har en asymmetri i strukturen i storleksordningen av laddningsbärarens medelfria väg (MFP). Typiska MFP:er med rumstemperatur sträcker sig från ensiffriga nanometer för metaller upp till tiotals eller hundratals nms för halvledare, och till och med >1 mikrometer i utvalda system. Detta innebär att för att skapa en geometrisk diod måste man antingen använda ett hög MFP-material, eller ha en tillverkningsprocess som har nanometerprecision för att skapa de relevanta geometrierna.
Geometriska dioder är majoritetsbärare som inte behöver en potentiell barriär. Diodbeteendet kommer från en asymmetri i strukturens form (som visas i figuren). Geometriska dioder kan helt enkelt ses som trattar eller hummerfällor för laddningar; I en riktning är det relativt lätt för laddningar att flöda, och i motsatt riktning är det svårare.
Dessutom är det idealiskt att ha spegelreflektion av laddningsbärarna vid strukturens yta; detta är dock inte lika kritiskt som att vara tillräckligt liten för att vara i en ballistisk regim.
Fördelar och nackdelar med geometriska dioder
Fördelar
Eftersom alla andra dioder skapar asymmetri i strömflödet genom någon form av en potentiell barriär, har de nödvändigtvis en viss grad av tändspänning . Geometriska dioder skulle teoretiskt kunna uppnå noll-bias påslagsspänning på grund av deras brist på potentialbarriär. Med noll-bias tillslagsspänning finns det ingen DC-förspänning som måste tillföras enheten; därför kan geometriska dioder avsevärt minska den effekt som behövs för att driva en anordning. Detta kan också vara fördelaktigt genom att dioderna skulle vara känsligare för små signaler. Detta är naturligtvis teoretiskt, och verkligt nollförspänningsdioder kan begränsas från att experimentellt realiseras.
En andra stor fördel härrör också från deras brist på potentiella barriär- och minoritetsbärare. En potentiell barriär är en stor kapacitanskälla i en diod. Kapacitans tjänar till att minska en diods frekvenssvar genom att öka dess RC-tid . Geometriska dioder saknar potentiell barriär betyder att de kan ha ultralåg kapacitans ner till attofaraderna . En geometrisk diods frekvenssvar begränsas inte av RC-tid eller minoritetsbärares rörlighet, utan av laddningsbärarnas flygtid genom den strukturella asymmetrin. Därför kan geometriska dioder uppnå frekvenssvar till THz.
Möjligheten för en geometrisk diods elektroniska egenskaper att avstämmas av strukturens geometri, ytbeläggningen på strukturen och egenskaperna hos det använda materialet erbjuder en nivåanpassning som är orealiserad i något annat diodsystem.
Principer som lärts av geometriska dioder och ballistiska system kommer att användas för att förstå teknik eftersom enheterna blir alltmer små och finns vid eller under laddningsbärarens MFP:er.
Nackdelar
Samma fördelar från bristen på potentiella hinder kommer också med deras andel av nackdelar. Den viktigaste är att den omvända förspänningsströmmen från en geometrisk diod kan vara ganska hög (allt från tre till mindre än en storleksordning mindre än framåtförspänningsströmmen). Beroende på applikationen kan dock en hög omvänd bias tolereras.
Typiskt är geometriska dioder på nanoskala, så det betyder nödvändigtvis att de har höga resistanser. Men beroende på tillverkningsprocessen kan detta mildras genom att stränga många dioder parallellt.
Det kanske största hindret för geometriska dioder att övervinna är tillförlitligheten i deras tillverkning och förmågan att skala upp den. Geometriska dioder tillverkas vanligtvis med nanotillverkningsmetoder som inte skalar upp bra, men med den ökande upplösningen av fotolitografi kanske detta inte är ett problem länge.
Experimentella exempel
Geometriska dioder är kopplade till fenomenen med elektronspärrar, och deras historia blandas ihop.
2GRADER
Tidigt arbete med geometriska dioder använde 2D elektrongaser (2DEG) vid kryogena temperaturer eftersom dessa materialsystem har en mycket lång laddningsbärare MFP. En av de mest studerade strukturerna är en geometri med fyra terminaler som antingen hade en enda motpunkt i mitten eller en uppsättning av motpunkter som tvingar laddningar ner istället för uppåt när ström tillförs från antingen vänster eller höger. Detta system demonstrerades från början vid kryogena temperaturer, men kunde sedan fungera vid rumstemperatur och korrigera signaler på 50 GHz.
Grafen
De fyra terminala geometrierna har också skapats i grafen och fungerar vid rumstemperatur. Dessutom demonstrerades en annan tvåterminalsgeometri som liknar det enkla geometriska diodschemat 2013. Optimal design för den ballistiska dioden baserad på grafenfälteffekttransistorer 2021 av Van Huy Nguyen . Detta arbete visade likriktningshastigheter vid THz-hastigheter.
Nanotrådar
Geometriska dioder bildade av etsade nanotrådar av kisel visades fungera vid rumstemperatur i april 2020. Detta arbete belyser inställbarheten hos geometriska dioder genom att noggrant studera effekterna av geometri på diodens elektroniska egenskaper. Arbetet demonstrerade också likriktning upp till en instrumentbegränsad 40 GHz.