ВЛИЯНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РАЗМЕРА ЭЛЕКТРОДА ЗАТВОРА НА УСИЛИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ОДНОЭЛЕКТРОННОГО ТРАНЗИСТОРА

July 25, 2012 by admin Комментировать »

Абрамов И. И., Игнатенко С. А. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники Беларусь, 220013, Минск, П. Бровки 6. E-mail: nanodev(3>_bsuir.edu.bv

Аннотация С использованием физико-топологической модели одноэлектронного транзистора проанализировано влияние положения и размера электрода затвора на его усилительные свойства. При расчетах за основу взяты экспериментальные данные для транзистора на основе туннельных переходов А1/АЮХ/А1.

I.  Введение

По сток-затворной характеристике одноэлектронного транзистора можно судить об его усилительных свойствах. В настоящее время коэффициент усиления этих приборных структур, к сожалению, невелик и составляет единицы [1, 2].

Известные модели полуклассического подхода используют в качестве исходных данных сопротивления и емкости туннельных переходов [1, 3]. В результате фактически невозможно исследовать влияние параметров конструкции и материалов на электрические характеристики одноэлектронных структур. В работах [4, 5] была впервые предложена физико-топологическая модель металлического одноэлектронного транзистора, лишенная отмеченного недостатка.

Целью данной работы является теоретическое исследование сток-затворной ВАХ одноэлектронного транзистора в зависимости от положения и размера электрода затвора.

II.  Результаты и их анализ

В качестве объекта исследования был выбран одноэлектронный транзистор на основе туннельных переходов AI/AIOx/AI [6].

Vg, мВ

Рис. 2. Влияние расстояния затвор-островок на стокзатворные ВАХ одноэлектронного транзистора:

1 Wg=300 нм, 2 Wg=330 нм, 3 Wg=270 нм

Для проведения расчетов использовалась модифицированная физико-топологическая модель, которая позволяет получить хорошее согласование с экспериментальными данными [5]. Вид структуры приведен на рис. 1. Согласование было получено при ширине электрода затвора Lg=700 нм (равна длине островка Lx) и расстоянии затвор-островок Wg=300 нм, что обусловлено реальными размерами транзистора [6].

В качестве исходной для анализа из семейства сток-затворных ВАХ была выбрана кривая при напряжении на стоке Vd=0.4 мВ [5, 7].

Fig. 2. The influence of the gate-island distance on the drainto-gate characteristics of a single-electron transistor:

1 Wg=300nm, 2 Wg=330nm, 3 Wg=270nm

На рис. 2 показано влияние расстояния от затвора до островка Wg на сток-затворные ВАХ. Кривая 1 соответствует Wg=300 нм, кривая 2 Wg=330 нм, а кривая 3Wg=270 нм. Из рисунка видно, что при изменении Wg на 10% амплитуда осцилляций изме-

Рис. 1. Структура одноэлектронного транзистора Fig. 1. Structure of a single-electron transistor

няется незначительно (-3%), а период изменяется примерно на 12%. Крутизна характеристики определялась соотношением dl/dV. Для наглядности проводилась касательная линия (см. 1′, 2′, 3′). Для исходной кривой 1 крутизна составляет dl/dV=25 пА/мВ. Из рис. 2 видно, что изменение расстояния затворостровок приводит к незначительному изменению крутизны ВАХ (-1%). Полученные закономерности объясняются более сильным влиянием электрического поля затвора на поляризационный заряд островка при уменьшении расстояния Wg.

На рис. 3 проиллюстрировано влияние ширины электрода затвора Lg на сток-затворные ВАХ одноэлектронного транзистора. Изменение Lg производилось в сторону уменьшения, причем затвор располагается симметрично, в середине структуры (пример показан штриховыми линиями на рис. 1). Кривая 1 соответствует Lg=700 нм, кривая 2 Lg=350 нм, кривая 3Lg=100 нм. Из рис. 3 видно, что при уменьшении Lg в 2 раза период осцилляций увеличился на 35%, а амплитуда приблизительно на 5%. При уменьшении Lg в 7 раз (кривая 3) период увеличился почти в 1,5 раза (142%), а амплитуда на 10%. Крутизна ВАХ при уменьшении Lg уменьшается с 25 пА/мВ (касательная 1′) до 17 пА/мВ (касательная 2′) и до 10 пА/мВ (касательная 3′). Таким образом, уменьшая ширину электрода затвора, можно ухудшить усилительные свойства одноэлектронного транзистора. Данное поведение связано с тем, что при уменьшении Lg влияние электрического поля затвора на поляризационный заряд островка слабее.

Было проведено также исследование влияния смещения электрода затвора вдоль оси х (рис. 1) при постоянном расстоянии Wg. В частности установлено, что при ширине затвора Lg=100 нм его смещение относительно середины структуры не влияет на фор-

Рис. 3. Влияние ширины электрода затвора на стокзатворные ВАХ одноэлектронного транзистора:

1 Lg=700 нм, 2 Lg=350 нм, 3 Lg=100 нм.

Fig. 3. The influence of the gate width on the drain-togate characteristics of a single-electron transistor:

1 Lg=700nm, 2 Lg=350nm, 3 Lg=100nm

му BAX (совпадает с кривой 3, рис. 3). Это связано с тем, что металлический островок достаточно длинный Lx=700 нм, а ширины туннельных переходов очень малы Wd=Ws=3 нм, и при любом положении затвора на линии ВС (рис. 1) создаваемое электрическое поле одинаково влияет на поляризационный заряд островка.

Отметим, что как уменьшение расстояния затвор-островок, так и уменьшение ширины затвора приводят к увеличению амплитуды осцилляций, т.е. увеличению рабочего участка ВАХ. Помимо положения и размера электрода затвора на усилительные свойства одноэлектронного транзистора оказывают влияние ряд других параметров, например, ширины туннельных переходов истока и стока [7].

III.  Заключение

Проведено теоретическое исследование стокзатворной ВАХ одноэлектронного транзистора в зависимости от положения и размера электрода затвора. Установлено, что на усилительные свойства значительно влияет ширина электрода затвора, мало воздействие расстояния от затвора до островка и практически не оказывает никакого влияния относительное смещение затвора (при постоянном расстоянии затвор-островок).

IV. Список литературы

[1]   Likharev К. К. II Proc. IEEE, 1999, v. 87, p. 606-632.

[2]   Zimmerli G., Kautz R. L., Martinis J. М. II Appl. Phys. Lett., 1992, v. 61, p. 2616-2618.

[3]   Amman М., Mullen К. II J. Appl. Phys., 1989, v. 65, p. 339346.

[4]   Абрамов И. И., Новик Е. Г. Численное моделирование металлических одноэлектронных транзисторов. Минск, Бестпринт, 2000, 164 с.

[5]   Абрамов И. И., Игнатенко С. А., Новик Е. Г. II В кн. 12я Международная конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Материалы конференции. Севастополь: Вебер, 2002, с. 466-467.

[6]   Berman D., Zhitenev N. В., Ashoori R. С., Smith Н. I., Melloch M. R. // J. Vac. Sci. Technol. B, 1997, v. 15, p. 2844-2847.

[7]   Абрамов И. И., Игнатенко С. А., Новик Е. Г. II Известия Белорусской инженерной академии, 2002, № 2 (14)/2,

с. 175-177.

DEPENDENCE OF A SINGLE-ELECTRON TRANSISTOR GAIN ON THE POSITION AND DIMENSIONS OF GATE ELECTRODE

Abramov I. I., Ignatenko S. A.

Belarussian State University of Informatics and Radioelectronics 6 P. Brovki St., Minsk, Belarus, 220013 phone +375 (17)2398877 e-mail: nanodev@bsuir.edu.by

Abstract The gain of a single-electron transistor depending on the position and dimensions of the gate electrode has been studied. Experimental data for an AI/AIOx/AI transistor have been used in computation.

I.  Introduction

The gain of a single-electron transistor is determined by its drain-to-gate characteristics. At present the gain of these structures is regrettably small, about several unities [1, 2].

The known models of semidassical approach use capacity and resistance values as input parameters [1, 3]. As a result, it is almost impossible to trace the influence of design parameters and material properties on electrical characteristics of single-electron structures. In [4, 5] a physical model of a metallic single-electron transistor free from the above disadvantages is proposed.

The present paper focuses on a theoretical study of drainto-gate characteristics of a single-electron transistor with regard to the position and dimensions ofthe gate electrode.

II.  Results and discussion

A single-electron transistor based on an AI/AIOx/AI tunnel junctions [6] has been chosen for analysis.

A modified physical model has been used in the calculations [5]. The structure of a single-electron transistor is shown in Fig. 1. Agreement was obtained for a gate electrode width Lg=700nm (equal to an island length) and gate-island distance Wg=300 nm, typical for actual sizes of this structure [6].

The initial curve for the calculation has been that of Vd=0.4mV [5,7].

The influence of the gate-island distance Wg is shown in Fig. 2. The curve 1 corresponds to Wg=300nm, the curve 2 to Wg=330nm, the curve 3to Wg=270nm. The slope of each curve is determined by ratio dl/dV. Tangents to curves have also been plotted (see 1′, 2′, 3′). The slope ofthe curve 1 is dl/dV=25pA/mV. As shown in Fig. 2, changes in the gate-island distance result into minor slope variations (~1%). The results obtained are due to a stronger influence ofthe gate electric field on the polarization charge of an island with decreasing Wg.

The influence of the gate electrode width Lg is shown in Fig. 3. The gate is placed at the center ofthe structure (an example is shown dotted). The curve 1 corresponds to Lg=700nm, curve 2to Lg=330nm, curve 3to Lg=100nm. Slopes of the curves vary from 25pA/mV (the tangent to the curve 1) to 17pA/mV (the tangent to the curve 2) and to 10pA/mV (the tangent to the curve 3). In this way a decrease in the gate electrode width Lg may compromise the gain of a single-electron transistor.

The influence of a gate displacement along the x-axis has been studied for a constant distance Wg. The gate displacement relative to the center ofthe structure does not affect the I-

V   curve. This is due to the fact that a metallic island is Lx=700nm long, but the tunnel junction widths Wd=Ws=3nm are very small, and for any position ofthe gate electrode along the BC line (see Fig. 1) an emerging electric field effects the polarization charge of an island in the same way.

The gain of a single-electron transistor is also determined by a number of other parameters, e. g. by the width of drain and source tunnel junctions [7].

III.  Conclusion

Drain-to-gate characteristics of a single-electron transistor have been studied with regard to the position and dimensions of the gate electrode. It has been demonstrated that the gain strongly depends on the gate electrode width Lg, barely depends on the gate-island distance Wg and is virtually unaffected by the relative gate displacement at the constant distance Wg.

Аннотация Исследовано влияние размеров приконтактных областей резонансно-туннельного диода (РТД) на вольтамперные характеристики (ВАХ). Показано, что изменение размеров приконтактных областей может привести к значительным трансформациям ВАХ РТД. Расчеты проведены с использованием комбинированной модели и ряда ее модификаций, основанной на самосогласованном решении уравнений Шредингера и Пуассона и включенной в комплекс программ численного моделирования NS-RTSNANODEV.

I.  Введение

РТД является одним из наиболее перспективных приборов для использования в системах нового поколения квантовых интегральных схемах. Однако проведение экспериментальных исследований по изучению влияния параметров структуры на характеристики прибора затруднено вследствие значительности затрат. В связи с этим актуальной задачей является проведение вычислительных экспериментов с использованием адекватных моделей РТД и соответствующего программного обеспечения.

Целью данной работы является исследование влияния размеров приконтактных областей РТД на их ВАХ.

II.  Описание модели

Анализ проводился с использованием комбинированной модели РТД, основанной на самосогласованном решении уравнений Шредингера и Пуассона [1, 2]. В комбинированной модели РТД представляется в виде трех областей: контакты, приконтактные области и активная область. К активной области относятся барьеры и заключенная между ними квантовая яма. К приконтактным областям относятся области, расположенные между омическим контактом и барьером, как со стороны эмиттера, так и со стороны коллектора. Более детально комбинированная модель описана в работе [2].

Проведенные ранее исследования влияния аппроксимации формы барьеров и квантовой ямы на ВАХ показали, что согласование результатов моделирования с экспериментальными данными может быть получено в случае использования приближения, при котором в граничной точке выбиралось усредненное значение потенциала по разные стороны барьера [3]. В связи с этим в данной работе при моделировании характеристик применялась именно эта аппроксимация.

III.  Результаты моделирования

Расчет ВАХ проводился для двухбарьерного РТД

[4]     , изготовленного на основе GaAs/AIAs, структура которого представлена на рис.1. Области РТД пронумерованы от 1 до 9, начиная от эмиттерного контакта. При моделировании использовались следующие значения электрофизических параметров: высота барьера 1,116 эВ, эффективная масса и относительная диэлектрическая проницаемость областей, изготовленных из GaAs равны соответственно пл*=0,068пл0 и 8=13,18, а для AlAs пл*=0,172пл0, s =10,06, где то масса покоя электрона.

Рис. 1. Структура РТД на основе GaAs/AIAs Fig. 1. A GaAs/AIAs RTD structure

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты