Группа физиков, включая сотрудников кафедры теоретической физики МФТИ, представила теоретическое исследование электрических свойств одноэлектронных транзисторов. Ученые предсказали появление у входящего в состав устройства диэлектрика «эффекта памяти» — который, в случае своего экспериментального обнаружения, может пригодится в разработке новых запоминающих устройств для микроэлектроники.
На страницах журнала Physical Review B исследователи с кафедры теоретической физики МФТИ, ФИАН, Калифорнийского государственного университета, Института физики высоких давлений РАН, Института теоретической физики имени Ландау и Института физики микроструктур опубликовали статью (см. также препринт), посвященную моделированию диэлектрического слоя в одноэлектронном транзисторе — устройстве, которое позволяет манипулировать отдельными электронами и которое сами авторы называют «одной из наиболее изученных наносистем». Подобные транзисторы получили еще в середине 1990-х годов, однако теория, описывающая их работу, была далеко не исчерпывающей.
Пример одноэлектронного транзистора: снимок под электронным микроскопом и аннотированный рисунок на его основе. Source — исток, drain — сток, island — затвор. Иллюстрация: Torsten Henning / Wikimedia.
Одноэлектронный транзистор подобен транзистору обычному — электронной детали с тремя контактами. Если на контакт, называемый затвором, подается электрическое напряжение, транзистор пропускает ток между двумя другими контактами: истоком и стоком. Переключаясь между двумя режимами, «ток есть» и «тока нет» транзистор может выполнять логические операции, а еще без транзисторов невозможно представить работу усилителей, коммутаторов и, пожалуй, всей современной электроники.
Эффект управления электрическим током в обычном транзисторе реализован за счет соединения вместе полупроводниковых материалов с разными свойствами (на их границе возникает блокирующее протекание тока электрическое поле), но в одноэлектронном транзисторе ключевую роль играют иные механизмы. Одноэлектронный транизистор построен на основе микроскопической площадки, «островка», из окруженного со всех сторон диэлектриком проводника.
Схема одноэлектронного транзистора. Рисунок: Fbianco + Лев Дубовой / Wikimedia
Подавая напряжение на затвор, можно управлять энергией электронов на «островке» и, при достижении ей определенного значения, делать возможным квантовое туннелирование электронов через изолирующий зазор. Квантовым туннелированием называют эффект перемещения частиц через непроницаемый с точки зрения классической физики барьер, а величина туннельного тока через островок такова, что при надлежащих условиях можно добиться пропускания отдельных электронов. Соответственно, одноэлектронный транзистор интересен ученым и как экспериментальная установка для фундаментальных экспериментов, так и в качестве перспективного элемента микроэлектроники будущего.
В теории одноэлектронного транзистора зазоры между «островком» и всеми тремя контактами — истоком, стоком и управляющим протеканием тока затвором — рассматриваются в качестве электрических конденсаторов. У них у всех есть диэлектрическая прослойка и проводящие обкладки, в роли которых выступает либо поверхность контакта, либо поверхность «островка». Как и в случае с классическим плоским конденсатором из школьного курса физики, емкость каждого такого конденсатора зависит от диэлектрической проницаемости среды между ними — и в первом приближении эта диэлектрическая проницаемость постоянна. Напомним, что диэлектрическая проницаемость тем выше, чем лучше изолирующие свойства материала, а чем лучший изолятор разделяет обкладки конденсатора, тем больший заряд он способен накопить, тем выше его емкость.
Слова «в первом приближении» означают возможность пренебречь изменением величины в рамках базовых расчетов. Однако детальное моделирование, без которого сложно спроектировать по-настоящему сложные устройства, требует более тщательного подхода. А именно — требуется учитывать зависимость диэлектрической проницаемости от частоты и учитывать те фундаментальные физические процессы, которые лежат в основе переноса электрических зарядов внутри вещества. Когда одноэлектронный транзистор включается в цепь, в зазорах между «островком» и контактами возникает электрическое поле, поле поляризует вещество и свойства всей системы немного меняются даже при перемещении отдельных электронов по «островку». Детальное моделирование, результаты которого представили ученые, позволило лучше представить себе перенос электронов через зазоры из поляризуемых диэлектриков и таким образом подготовить теоретическую основу как для прикладных, так и для фундаментальных исследований.
Титанат бария, активно используемый при изготовлении керамических конденсаторов диэлетрик. Возможно, новая работа со временем повлечет рост интереса к этому материалу. Рисунок: Groer / Wikimedia
Проведенные учеными расчеты показывают, что входящие в состав одноэлектронного транзистора конденсаторы должны обладать «эффектом памяти». Это значит, что проводимость зазора между контактами устройства и «островком» не просто меняется вместе с зарядом на «островке», но эти изменения еще и зависят от направления процесса. Проще говоря, если напряжение на затворе увеличивается, то проводимость сначала плавно растет, а потом резко, скачком, падает — но если напряжение уменьшается, то сначала идет плавное увеличение проводимости, а потом — резкий скачок (лучше всего это иллюстрирует график ниже; обратите внимание на стрелку, показывающую динамику процесса).
График изменения проводимости диэлектрического слоя в зависимости от заряда конденсатора. Как можно видеть, эта величина зависит не только от заряда в данный момент, но и от того, каков был заряд конденсатора ранее. Это и есть эффект памяти, который может найти применение в ряде прикладных задач. Иллюстрация любезно предоставлена авторами исследования.
Эффект памяти связан с поляризацией диэлектрика и с тем, что наведенные заряды какое-то время остаются в материале после исчезновения внешнего поля. Физики предсказали, что при правильном подборе материалов (в частности, многообещающим выглядит титанат бария — вещество, используемое сейчас в производстве керамических кондесаторов и пьезоэлементов) эффект должен наблюдаться при комнатной температуре и на его основе возможно создание ячеек памяти для перспективных компьютерных систем.
