Новости науки 04.07.02. Многофункциональный транзистор на углеродной нанотрубке

Транзисторы на углеродных нанотрубках уже стали реальностью, однако экспериментальные образцы таких устройств еще далеки от той стадии, когда можно говорить об отработанной технологии и промышленном производстве. Теоретики, со своей стороны, также продолжают исследование возможностей таких транзисторов. В недавней работе американских ученых показано, что наноразмерный полевой транзистор, в котором каналом является одностенная углеродная нанотрубка, может работать также в нетипичном для устройств подобного рода режиме.

Рис.1. Схематическое изображение транзистора на основе углеродной нанотрубки (обозначена поперечной штриховкой).

Одним из ведущих центров по разработке и исследованию транзисторов на углеродных нанотрубках является фирма IBM. Недавно мы писали об очередном успехе сотрудников исследовательского центра IBM имени Т.Уотсона - наиболее совершенном из всех созданных полевых транзисторов на углеродных нанотрубках . Теоретики, работающие в исследовательском центре IBM, также трудятся, не покладая рук, - в недавно вышедшей работе, посвященной "нанотрубным" транзисторам, показано, что полевые транзисторы на углеродных нанотрубках могут работать и в резонансно-туннельном режиме, не свойственном обычным полевым транзисторам [1].

В полевых транзисторах управление током через транзистор (ток течет от истока к стоку по "каналу"; в нанотрубном транзисторе в качестве канала служит углеродная нанотрубка), осуществляется с помощью электрического поля, перпендикулярного току. Схематически сечение транзистора с одностенной углеродной нанотрубкой (диаметр нанотрубки около 1.5 нм), используемой в качестве канала, рассмотренного в работе американских ученых, показано на рис.1. Слева и справа металлические электроды (исток и сток, соответственно), они разделены слоем диэлектрика толщиной 10 нм, поверх которого нанесен третий электрод (затвор), с помощью него осуществляется управление током, текущим от истока к стоку.

Расчеты показывают, что в определенном диапазоне напряжений, прикладываемых к затвору, канал является практически полностью открытым (рис.2a, облаcть I; зонная диаграмма при напряжении затвора V_G = - 4 В показана на рис.2b) - благодаря малой длине нанотрубки электроны проходят нанотрубку баллистически (без рассеяния). При изменении напряжения проводимость падает практически до нуля вследствие образования потенциального барьера для дырок (рис.2a, облаcть II; соответствующая зонная диаграмма показана на рис.2c) - канал, соответственно, закрыт. Будучи превосходным полевым "стандартным" транзистором в диапазоне напряжений I и II, рассматриваемый нанотрубный транзистор может, кроме того, работать в несвойственном для такого рода устройств в резонансно-туннельном режиме.

Рис.2. a - зависимость проводимости от приложенного к затвору напряжения; b,c, d - зонные диаграммы для нескольких приложенных напряжений, вверху - край дно зоны проводимости, внизу - потолок валентной зоны, точками показан уровень Ферми; точка 0 на оси абсцисс соответствует середине затвора.

В определенном диапазоне напряжений проводимость быстро растет с ростом V_G и также быстро падает практически до нуля при дальнейшем увеличении V_G (область III на рис.2a). Возникающий резонансный эффект объясняется следующим образом: по мере увеличения напряжения затвора глубина потенциальной ямы увеличивается (cравните рисунки 2c и 2d), при этом в трехмерной потенциальной яме возникают квантованные уровни энергии (они схемалически показаны на рис. 2d горизонтальными линиями); значение V_G при котором наинизший уровень энергии в потенциальной яме совпадает с положением уровня Ферми, соответствует максимальному значению проводимости - в этом случае имеет место резонансное туннелирование электронов. Причем вследствие малых размеров устройство работает (даже при комнатной температуре!) в режиме так называемой кулоновской блокады .

Несмотря на заманчивые перспективы, рисуемые теоретиками, и впечатляющие успехи экспериментаторов, день, когда транзисторы на углеродных нанотрубках смогут побороться за первенство на рынках с традиционными транзисторами, наступит еще не скоро. Одним из основных препятствий на пути из лаборатории к промышенному производству является отсутсвие технологии производства транзисторов на нанотрубках, обладающей хорошей воспроизводимостью, хотя и на этом направлении уже имеются определенные успехи .

1. Francois Leonard and J.Tersoff. Phys.Rev.Lett., v.88, 258302 (2002).

перейти к началу страницы