КАФЕДРА
пользования такой цепочки в качестве проводника. Подобные
цепочки называют квантовыми проводниками (КП), а отдель-
ные их составляющие (кластеры) - квантовыми точками. Вы-
ражения для функции
ВОЛНОВОДНОЙ
зоны и зонной энергии мо-
гут быть получены в рамках любой известной из квантовой
физики модели расчета зонных структур.
В случае простой одноатомной цепочки из одновалент-
ных примесей, волноводная зона заполняется носителями
лишь частично до соответствующего уровня Ферми, попадая
в запрещенную зону. Образование вдоль цепочки частично
заполненной волноводной зоны обеспечивает возможность
реализации квазиодномерного движения носителей, причем
функционирование наноструктур не зависит от особенностей
волноводной зоны. В идеальной цепочке конечная проводи-
мость связана только с рассеянием носителей на контактах,
не зависит от ее длины и определяется квантовым сопротив-
лением [
1
]:
П
0
=
*
1
,
3.1
о4
Ом, где
е~
- постоянная Планка;
е - заряд электрона.
Особенности технологии на сегодняшний день не позволя-
ют создавать одноатомные цепочки. Вместо этого на поверх-
ности подложки наносится нанополоска - совокупность не-
скольких параллельных близко расположенных цепочек или
цепочка из небольших атомных групп (кластеров). Если волно-
водные функции волновых зон цепочек, составляющих полос-
ку, слабо перекрываются, то ее можно рассматривать как па-
раллельное соединение проводников с одинаковым (контакт-
ным) сопротивлением
1
Т0; полное сопротивление в этом слу-
чае равно
где V - число цепочек в полоске [1]. С достаточ-
ной степенью точности этот результат сохраняется и при за-
метном перекрытии функций волноводной зоны. Волноводная
зона нанополоски из V параллельных цепочек является резуль-
татом гибридизации п волноводных зон, формирующихся вдоль
изолированных цепочек. При этом одна или несколько гибрид-
ных зон, построенных с учетом перекрытия волновых функций
на соседних цепочках, могут оказаться под уровнем Ферми и
быть полностью заполненными, либо над уровнем Ферми и
быть пустыми. В обоих случаях носители из этих зон в процес-
18
се проводимости не участвуют. Поэтому сопротивление нано-
полоски оказывается равным
где Б<у — число активных
(частично заполненных) гибридных волноводных зон [1]. Рас-
четы, проведенные для нанополоски, составленной из атомов
никеля в кристалле германия, показали, что при у = 4 полнос-
тью заполнена носителями только одна зона (Б = 3); при у = 9
- две зоны (Б = 7) [1]. Для нанополоски, образованной из ва-
кансий в алмазе, число активных волноводных зон, как показа-
ли расчеты, совпадает с числом цепочек в полоске до у =
10
.
Существует экспериментальное указание на подтверждение
этих результатов [
1
].
На электрофизические характеристики наноцепочек вли-
яют ионизация, тепловые шумы в цепочке, рассеяние носи-
телей на фононах кристалла подложки и т.п. Влияние этих
факторов приводит к изменению сопротивления цепочки. При
температурах, незначительно превышающих комнатную, за-
метное влияние оказывают тепловые шумы и рассеяние но-
сителей.
Из теории следует [1], что при включении нанополоски, со-
ставленной из небольшого числа (\<
10
) параллельных цепо-
чек, в электронную схему, для надежного отделения сигнала
от шума, необходимо, чтобы ее полоса пропускания по шири-
не не превосходила 10
11
...10
12
Гц. Соответственно быстродей-
ствие устройства, содержащего нанополоску в качестве эле-
мента, не может превосходить
1011
...
1012
с.
При рассмотрении работы квантового проводника (нано-
полоски) необходимо знать, где находится грань между кван-
товым проводником и классическим - то есть при каких гео-
метрических размерах нанополоска теряет квантовые свойства.
Из квантовой физики известно, что наблюдение квантовых
эффектов при прохождении тока через твердое тело возмож-
но, если рассеяние носителей на препятствиях не разрушает
фазовую когерентность волновой функции. Это рассеяние
вызвано неупругими столкновениями носителей, например, с
другими электронами. Чем больше геометрические размеры
нанополоски, тем больше вероятность таких столкновений.
Как показывает теория [1], этот предельный размер сильно
зависит от температуры, причем эта зависимость имеет вид
1_
0
~Т'1
'2, где 1
_0
есть предельная длина пути носителей, на ко-
торой они не испытывают неупругих столкновений.
Таким образом, максимальный размер наноэлемента, при
котором он еще может функционировать как квантовый при-
бор, зависит от температуры. При комнатной температуре этот
предельный размер составляет несколько десятков наномет-
ров (т.е. сотни межатомных расстояний), он увеличивается с
понижением температуры по закону Т
'1'2
(до некоторого преде-
ла ~1 мкм, обусловленного примесным рассеянием) [1]. Под
“размером прибора” понимается размер той пространствен-
ной области, в пределах которой квантовая интерференция
существенна для работы прибора. Обычно это расстояние
между частями прибора, непосредственно соединенными с
внешней “классической цепью”.
В частности, нанополоска обладает особенностями кван-
тового проводника, пока ее продольный и поперечный разме-
ры не превосходят нескольких десятков нанометров. Нанопо-
лоски большей длины и ширины имеют свойства обычного
классического проводника. Расмотренный квантовый провод-
ник является простейшим элементом КИС. На базе КП строят-
ся все более сложные интерференционные элементы.
Литература
1. В. М. Адамян, П. Н. Лускинович, В. И. Никишин, И. М.
Ткаченко. “Базовые элементы наноэлектроники.” - “Электрон-
ная промышленность” №3,1991 г.
2. В. И. Никишин, П. Н. Лускинович. “Нанотехнология и на-
ноэлектроника.’’- “Электронная промышленность” №3,1991 г.
9/2003
предыдущая страница 17 Радиолюбитель 2003-09 читать онлайн следующая страница 19 Радиолюбитель 2003-09 читать онлайн Домой Выключить/включить текст