QFET

En kvantfälteffekttransistor ( QFET ) eller kvantbrunnsfälteffekttransistor ( QWFET ) är en typ av MOSFET (metall-oxid-halvledarfälteffekttransistor) som drar fördel av kvanttunnel för att kraftigt öka hastigheten på transistordriften genom att eliminera den traditionella transistorns elektronledningsarea som typiskt gör att bärvågor saktar ner med en faktor 3000. Resultatet är en ökning av den logiska hastigheten med en faktor 10 med en samtidig minskning av komponenteffektbehov och storlek också med en faktor på 10. Det uppnår dessa saker genom en tillverkningsprocess som kallas snabb termisk bearbetning (RTP) som använder ultrafina lager av byggmaterial.

Bokstäverna "QFET" existerar också för närvarande som ett varumärkesskyddat namn på en serie MOSFETs producerade av Fairchild Semiconductor (sammanställd i november 2015) som innehåller en egenutvecklad dubbel-diffuserad metall-oxid-halvledarteknik (DMOS) men som faktiskt inte är det , kvantbaserad (Q står i detta fall för "kvalitet").

Struktur och enhetsdrift

Moderna exempel på kvantfälteffekttransistorer integrerar strukturer som är traditionella till konventionella MOSFET:er och använder många av samma material. MOSFET-transistorer består av dielektriska material, såsom SiO2, _och metallgrindar. Metallgrindarna är isolerade från grindens dielektriska skikt, vilket leder till en mycket hög ingångsresistans. Bestående av tre terminaler, source (eller ingång), drain (eller utgång) och gate, kan MOSFET:er styra strömflödet via en pålagd spänning (eller avsaknad av sådan) till gateterminalen, vilket ändrar potentialbarriären mellan skikten och möjliggör (eller inaktiverar) laddningsflödet.

Source- och drain-terminaler är anslutna till dopade områden på MOSFET, isolerade av kroppsregionen. Dessa är antingen p eller n typ regioner, där båda terminalerna är av samma typ och motsatta kroppstypen. Om MOSFET är en n-kanals MOSFET är både käll- och kollektorområdena n + och kroppen är en p- region. Om MOSFET är en p-kanal MOSFET är både käll- och kollektorområdena p + och kroppen är en n- region. I en n-kanals MOSFET bär elektroner laddningen genom källområdet, och hål bär laddningarna i p-kanals MOSFET-källan.

FET-strukturer konstrueras vanligtvis gradvis, lager för lager, med användning av en mängd olika tekniker såsom molekylär strålepitaxi, vätskefas epitaxi och ångfas epitaxi, ett exempel är kemisk ångavsättning . Typiska MOSFETs är konstruerade på mikronskalan. Våtkemisk etsning kan användas för att skapa lager med tjocklek 3 μm eller större, medan torretsningstekniker kan användas för att uppnå lager på nanometerskalan. När skikttjockleken närmar sig 50 nanometer eller mindre, närmar sig de Broglie-våglängden för skiktet den för en termaliserad elektron, och konventionella energi-moment-relationer för bulkhalvledare fungerar inte längre.

Ultratunna halvledarskikt används vid produktionen av QFET, vars bandgap är mindre än de omgivande materialen. I fallet med en endimensionell kvantbrunn QFET, odlas ett halvledarskikt i nanoskala mellan två isolerande skikt. Halvledarskiktet har en tjocklek d och elektronladdningsbärarna fångas i en potentialbrunn. Dessa elektroner, och deras motsvarande hål, har diskreta energinivåer som hittas genom att lösa den tidsoberoende Schrödinger-ekvationen, som visas:

$E_{q}={\hbar ^{2}(q\pi /d)^{2} \over 2m},q=1,2,3,...$

Laddningsbärarna kan aktiveras (eller avaktiveras) genom att anbringa en potential på grindterminalen som matchar en motsvarande energinivå. Dessa energinivåer beror på halvledarskiktets tjocklek och materialegenskaperna. En lovande halvledarkandidat för QFET-implementering, InGaAs , har en de Broglie-våglängd på cirka 50 nanometer. Större gap mellan energinivåerna kan uppnås genom att sänka skiktets tjocklek d . När det gäller InGaAs har skiktlängder på cirka 20 nanometer uppnåtts. _I d3 , praktiken produceras tredimensionella kvantbrunnar, varvid dimensionerna för skiktets plan, d2 _. och är mycket större i relativ storlek Motsvarande elektronenergi-moment-relation beskrivs av

$E=E_{c}+{\hbar ^{2}k_{ 1}^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k_{2}^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k_{3}^{ 2} \over 2m_{c}}$ .

K - värdena i denna relation motsvarar ${q_{1}\pi \over d_{1}},{q_{2}\pi \over d_{2 }},$ och ${\displaystyle {q_{3}\pi \over d_{3}}} ,$ som är storleken på vågvektorerna i varje dimension.

QFET:er orkestrerade med kvanttrådar begränsar på liknande sätt elektronladdningsbärare i en potentiell brunn, men karaktären av deras smala geometriska form gör det möjligt för en tillverkare att fånga elektronerna i två dimensioner. Kvanttrådar är i huvudsak kanaler i ett 1D-system, vilket ger en snävare bärare inneslutning och ett förutsägbart strömflöde.

Traditionella MOSFET:er, konstruerade med ett kiseldioxidskikt ovanpå ett kiselsubstrat, fungerar genom att skapa en förspänd pn-övergång , som kan vara förspänd framåt eller bakåt i närvaro av en positiv respektive negativ pålagd spänning. Tillämpning av en spänning minskar i själva verket höjden på potentialbarriären mellan p- och n -områdena och tillåter laddning att flöda i form av positivt laddade "hål" och negativt laddade elektroner.

Single-junction QFET:s använder kvanttunneling för att öka hastigheten genom att eliminera det elektroniska ledningsområdet, vilket saktar ner bärare med upp till 3000 gånger.

Teori och tillämpning på optiska instrument

Beteendet hos byggstenarna i QFET kan beskrivas av kvantmekanikens lagar . I kvantbegränsade halvledarstrukturer kvantifieras närvaron av laddningsbärare (hål och elektroner) av tillståndstätheten . För fallet med den tredimensionella kvantbrunnen, ofta konstruerad som ett plant lager med tjocklek mellan 2 nm och 20 nm, erhålls densiteten för tillstånden $\rho _{c}(E)$ från en tvådimensionell vektor $(k_{2}={q_{2}\pi \över d_{2}},k_ {3}={q_{3}\pi \over d_{3}})$ , vilket motsvarar arean i lagrets plan. Från $Ek$ -relationen,

$E=E_{c}+{\hbar ^{2}k_{ 1}^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k_{2}^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k_{3}^{ 2} \over 2m_{c}}$ , är det möjligt att visa att ${dE \over dk}=\hbar ^{2}k/m_{c}$ , och därmed

$\rho _{c}(E)={\begin{cases}{m_{c} \over \pi \hbar ^{2}d_{1}},\\0,\end{cases}} q_{1}=1,2,3,....$

På liknande sätt beskrivs energin hos endimensionella nanotrådar av vågvektorer, men på grund av deras geometri behövs endast en k vektor, ${\displaystyle k_{z}} ,$ för att modellera den kinetiska energin för fri rörelse längs axeln av tråd:

$E(k_{z})={\hbar ^{2}k_{z}^{2} \over 2m_{c}}$

En mer exakt energimodell kan användas för att kvantifiera energin hos elektroner som är begränsade i två dimensioner. Man kan anta att tråden har ett rektangulärt tvärsnitt av d ₁ d ₂ , vilket leder till en ny energi-momentum relation:

${\displaystyle E=E_{c }+{\hbar ^{2}(q_{1}\pi /d_{1})^{2} \över 2m_{c}}+{\hbar ^{2}(q_{2}\pi /d_ {2})^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}k^{2} \over 2m_{c}}} , där k$ är vektorkomponenten längs trådens axel.

Tvådimensionella kvanttrådar kan också vara cylindriska till formen, med vanliga diametrar som faller runt 20 nm.

I fallet med kvantpunkter, som är begränsade till en enda dimension, kvantiseras energin ytterligare:

$E=E_{c}+{\hbar ^{2}(q_{1}\pi /d_{1})^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}(q_ {2}\pi /d_{2})^{2} \over 2m_{c}}+{\hbar ^{2}(q_{3}\pi /d_{3})^{2} \over 2m_ {c}}$ .

De geometriska egenskaperna hos kvantprickar varierar, men typiska kvantpartiklar har dimensioner någonstans mellan 1 nm och 50 nm. När elektronrörelsen begränsas ytterligare med varje successiv dimensionell kvantisering, blir delbanden för lednings- och valensbanden smalare.

III-V tri-gate kvantbrunn MOSFET (Datta, K. & Khosru, Q.)

Alla halvledare har en unik lednings- och valensbandstruktur . I direktbandsgaphalvledare uppträder ledningsbandets minimum- och valensbandsmaximumenergier vid samma vågnummer k , motsvarande samma rörelsemängd. QFET:er med kvantbrunnsstrukturer har ledningsband som är uppdelade i flera delband, som motsvarar deras lämpliga kvanttal q = 1, 2, 3,... och erbjuder en högre densitet av tillstånd vid deras lägsta tillåtna ledningsband och högsta tillåtna valensbandsenerginivåer än MOSFET, vilket leder till intressanta egenskaper, särskilt i deras optiska egenskaper och tillämpningar. För kvantbrunnsenheter som används i laserdioder interagerar fotoner med elektroner och hål via övergångar mellan valens- och ledningsbanden. Övergångar från fotoninteraktioner i kvantbrunnshalvledare styrs av energigap mellan delband, i motsats till det allmänna energigapet för klassiska halvledare.

Motivering

Den konceptuella designen av en fälteffekttransistor (FET) formulerades först 1930 av JE Lilienfeld. Sedan tillkomsten av den första Silicon FET 30 år senare, har elektronikindustrin sett en snabb och förutsägbar exponentiell tillväxt av både transistordensitet och informationsbehandlingskapacitet. Detta fenomen, känt som Moores lag , hänvisar till observationen att antalet transistorer som kan placeras i en integrerad krets fördubblas ungefär vartannat år.

High Speed Quantum FETs designades för att övervinna 0,2 μm-tekniken som anses vara den praktiska gränsen för konventionell halvledarteknik. QFET:er ökar alltså den logiska hastigheten med en faktor tio, och minskar effektkraven och storleken på transistorn med samma faktor. Dessa ökningar ger QFET-enheter för användning vid utveckling av design-automationsverktyg som drar nytta av låg effekt, liten storlek och hög hastighet.

Se även