Dispositivos Quantum

A maioria dos circuitos integrados são digitais, baseados em transistores MOS (CMOS). A cada dois anos, desde o final dos anos 1960, ocorre uma redução da geometria, aumentando a densidade do circuito - mais circuitos a um custo menor no mesmo espaço. No momento em que este artigo foi escrito (2006), o comprimento da porta do transistor MOS é de 65 nm para produção de ponta, com 45 nm previstos dentro de um ano. Em 65 nm, as correntes de fuga estavam se tornando evidentes. Em 45 nm, inovações heróicas foram necessárias para minimizar esse vazamento. O fim do encolhimento nos transistores MOS é esperado em 20 a 30 nm. Embora alguns pensem que 1 a 2 nm é o limite. A fotolitografia, ou outras técnicas litográficas, continuarão a melhorar, fornecendo uma geometria cada vez menor. No entanto, não se espera que os transistores MOS convencionais sejam utilizáveis ​​nessas geometrias menores abaixo de 20 a 30 nm.

A fotolitografia melhorada terá de ser aplicada a outras dimensões além dos transistores convencionais (abaixo de 20 a 30 nm). As indesejáveis ​​correntes de vazamento de MOS são devidas aos efeitos da mecânica quântica - tunelamento de elétrons através do óxido de porta e do canal estreito. Em resumo, os efeitos da mecânica quântica são um obstáculo para os transistores MOS convencionais cada vez menores. O caminho para dispositivos de geometria cada vez menores envolve dispositivos ativos exclusivos que fazem uso prático dos princípios da mecânica quântica. À medida que a geometria física se torna muito pequena, os elétrons podem ser tratados como o equivalente da mecânica quântica:uma onda. Os dispositivos que usam os princípios da mecânica quântica incluem diodos de tunelamento ressonante, transistores de tunelamento quântico, diodos isoladores de metal e transistores de pontos quânticos.

Tunelamento Quântico

Tunelamento quântico: é a passagem de elétrons através de uma barreira isolante fina em comparação com o comprimento de onda do elétron de de Broglie. Se a “onda de elétrons” for grande em comparação com a barreira, existe a possibilidade de que a onda apareça em ambos os lados da barreira.



Visão clássica de um elétron superando uma barreira ou não. A visão da mecânica quântica permite que um elétron faça um túnel através de uma barreira. A probabilidade (verde) está relacionada à espessura da barreira. Após a Figura 1

Na física clássica, um elétron deve ter energia suficiente para superar uma barreira. Caso contrário, ele recua da barreira. (Figura acima) A mecânica quântica permite a probabilidade de o elétron estar do outro lado da barreira. Se tratado como uma onda, o elétron pode parecer muito grande em comparação com a espessura da barreira. Mesmo quando tratada como uma onda, há apenas uma pequena probabilidade de que ela seja encontrada do outro lado de uma barreira espessa. Veja a porção verde da curva, Figura acima. Diminuir a barreira aumenta a probabilidade de o elétron ser encontrado do outro lado da barreira.

Diodo túnel

Díodo de túnel: O termo não qualificado diodo túnel refere-se ao diodo de túnel esaki , um dos primeiros dispositivos quânticos. Um diodo com polarização reversa forma uma região de depleção, uma região de isolamento, entre o ânodo condutor e o cátodo. Esta região de depleção é apenas fina em comparação com o comprimento de onda do elétron quando fortemente dopado - 1000 vezes o dopagem de um diodo retificador. Com a polarização adequada, o tunelamento quântico é possível. Consulte o CH 3 para obter detalhes.

Diodo de Tunelamento Ressonante (RTD)

RTD, diodo de tunelamento ressonante: Este é um dispositivo quântico que não deve ser confundido com o diodo túnel de Esaki, CH 3, um semicondutor bipolar convencional fortemente dopado. Elétrons túnel através de duas barreiras separadas por um poço na fonte de fluxo para drenar em um diodo de tunelamento ressonante . O tunelamento também é conhecido como tunelamento mecânico quântico. O fluxo de elétrons é controlado pela polarização do diodo. Isso combina os níveis de energia dos elétrons na fonte com o nível quantizado no poço, de modo que os elétrons possam criar um túnel através das barreiras. O nível de energia no poço é quantizado porque o poço é pequeno. Quando os níveis de energia são iguais, uma ressonância ocorre, permitindo o fluxo de elétrons através das barreiras, conforme mostrado na Figura abaixo (b). Sem polarização ou tendência excessiva, nas Figuras abaixo (a) e (c), respectivamente, resulta em uma incompatibilidade de energia entre a fonte e o poço, e nenhuma condução.



Díodo de tunelamento ressonante (RTD):(a) Sem polarização, fonte e níveis de energia do poço não combinados, sem condução. (b) Pequeno enviesamento causa níveis de energia combinados (ressonância); resultados de condução. (c) A polarização adicional não combina os níveis de energia, diminuindo a condução.

Conforme a polarização é aumentada de zero no RTD, a corrente aumenta e depois diminui, correspondendo aos estados desligado, ligado e desligado. Isso torna a simplificação dos circuitos de transistor convencionais possível, substituindo um par de RTDs por dois transistores. Por exemplo, dois RTDs consecutivos e um transistor formam uma célula de memória, usando menos componentes, menos área e energia em comparação com um circuito convencional. A aplicação potencial de RTDs é reduzir a contagem de componentes, área e dissipação de energia de circuitos de transistores convencionais, substituindo alguns, embora não todos, os transistores. [GEP] Foi demonstrado que os RTDs oscilam até 712 gHz. [ERB]

Transistor de túnel de camada dupla (Deltt)

Transistor de tunelamento de camada dupla: O Deltt , também conhecido como transistor de tunelamento de camada dupla é constituído por um par de poços condutores separados por um isolador ou semicondutor de alto intervalo de banda. (Figura abaixo) Os poços são tão finos que os elétrons estão confinados a duas dimensões. Estes são conhecidos como poços quânticos . Um par desses poços quânticos é isolado por uma camada fina de GaAlAs, com alta lacuna de banda (não conduz facilmente). Os elétrons podem criar um túnel através da camada isolante se os elétrons nos dois poços quânticos tiverem o mesmo momento e energia. Os poços são tão finos que o elétron pode ser tratado como uma onda - a dualidade mecânica quântica de partículas e ondas. As portas de controle superior e inferior opcionais podem ser ajustadas para equalizar os níveis de energia (ressonância) dos elétrons para permitir a condução da fonte ao dreno. A figura abaixo, as barras vermelhas do diagrama de barreira mostram níveis de energia desiguais nos poços, uma condição de “estado desligado”. A polarização adequada das portas equaliza os níveis de energia dos elétrons nos poços, a condição de “estado ligado”. As barras estariam no mesmo nível no diagrama de nível de energia.



O transistor de tunelamento de camada dupla (Deltt) é composto por dois elétrons contendo poços separados por uma barreira não condutora. As tensões de porta podem ser ajustadas de modo que a energia e o momento dos elétrons nos poços sejam iguais, o que permite que os elétrons passem pela barreira não condutiva. (Os níveis de energia são mostrados como desiguais no diagrama de barreira.)

Se a polarização da porta é aumentada além do necessário para o tunelamento, os níveis de energia nos poços quânticos não correspondem mais, o tunelamento é inibido, a fonte para drenar a corrente diminui. Para resumir, aumentar o enviesamento da porta de zero resulta em condições de ativação, desativação e ativação. Isso permite que um par de Deltt seja empilhado na forma de um par complementar CMOS; entretanto, diferentes transistores do tipo p e n não são necessários. A tensão da fonte de alimentação é de cerca de 100 mV. Foram produzidos Deltt experimentais que operam perto de 4,2 K, 77 K e 0o C. Versões à temperatura ambiente são esperadas. [GEP] [IGB] [PFS]

Metal-Isolador-Isolador-Metal (MIIM)

Diodo MIIM: O metal-isolador-isolador-metal (MIIM) diodo é um dispositivo de tunelamento quântico, não baseado em semicondutores. Consulte a “seção de diodo MIIM” Figura abaixo. As camadas isolantes devem ser finas em comparação com o comprimento de onda do elétron de de Broglie, para que o tunelamento quântico seja possível. Para a ação do diodo, deve haver uma direção de tunelamento preferencial, resultando em uma curva acentuada na curva característica direta do diodo. O diodo MIIM tem uma curva direta mais nítida do que o diodo de metal isolador de metal (MIM), não considerado aqui.



Diodo de metal isolador de isolador de metal (MIIM):seção transversal do diodo. Níveis de energia sem polarização, polarização direta e polarização reversa. Após a Figura 1.

Os níveis de energia de M1 e M2 são iguais na Figura “sem polarização” acima. No entanto, os elétrons (térmicos) não podem fluir devido às altas barreiras I1 e I2. Os elétrons no metal M2 têm um nível de energia mais alto na “polarização reversa” Figura acima, mas ainda não conseguem superar a barreira do isolador. Conforme a Figura de "polarização direta" acima é aumentada, um poço quântico , uma área onde podem existir elétrons, é formada entre os isoladores. Os elétrons podem passar pelo isolador I1 se M1 for baseado no mesmo nível de energia do poço quântico. Uma explicação simples é que a distância através dos isoladores é menor. Uma explicação mais longa é que, à medida que a polarização aumenta, a probabilidade da onda de elétrons se sobrepor de M1 ao poço quântico aumenta. Para uma explicação mais detalhada, consulte Phiar Corp. [PHI]

Os dispositivos MIIM operam em frequências mais altas (3,7 THz) do que os transistores de micro-ondas. [RCJ3] A adição de um terceiro eletrodo a um diodo MIIM produz um transistor.

Transistor de ponto quântico

Transistor de ponto quântico: Um condutor isolado pode assumir uma carga, medida em coulombs para objetos grandes. Para um condutor isolado em escala nanométrica conhecido como ponto quântico , a carga é medida em elétrons. Um ponto quântico de 1 a 3 nm pode assumir uma carga incremental de um único elétron. Esta é a base do transistor de ponto quântico , também conhecido como transistor de elétron único .

Um ponto quântico colocado no topo de um isolador fino sobre uma fonte rica em elétrons é conhecido como uma caixa de elétrons única . (Figura abaixo (a)) A energia necessária para transferir um elétron está relacionada ao tamanho do ponto e ao número de elétrons que já estão no ponto.

Um eletrodo de porta acima do ponto quântico pode ajustar o nível de energia do ponto para que o tunelamento mecânico quântico de um elétron (como uma onda) da fonte através do isolador seja possível. (Figura abaixo (b)) Assim, um único elétron pode tunelar até o ponto.



(a) Caixa de elétrons simples, um ponto quântico isolado separado de uma fonte de elétrons por um isolador. (b) Carga positiva no portão polariza o ponto quântico, tunelando um elétron da fonte ao ponto. (c) Transistor quântico:o canal é substituído por um ponto quântico cercado por uma barreira de tunelamento.

Se o ponto quântico estiver rodeado por uma barreira de túnel e embutido entre a fonte e o dreno de um FET convencional, como na Figura acima (c), a carga no ponto pode modular o fluxo de elétrons da fonte ao dreno. Conforme a tensão da porta aumenta, a fonte para drenar a corrente aumenta, até certo ponto. Um aumento adicional na tensão da porta diminui a corrente de drenagem. Isso é semelhante ao comportamento dos dispositivos ressonantes RTD e Deltt. Apenas um tipo de transistor é necessário para construir uma porta lógica complementar. [GEP]

Transistor de elétron único

Transistor de elétron único: Se um par de condutores, supercondutores ou semicondutores são separados por um par de barreiras de túnel (isolante), circundando uma pequena ilha condutora, como um ponto quântico, o fluxo de uma única carga (um par de Cooper para supercondutores) pode ser controlado por um portão. Este é um transistor de elétron único semelhante à Figura acima (c). Aumentar a carga positiva no portão permite que um elétron faça um túnel até a ilha. Se for suficientemente pequeno, a baixa capacitância fará com que o potencial do ponto aumente substancialmente devido ao único elétron. Nenhum elétron mais pode tunelar para a ilha devido à carga do elétron. Isso é conhecido no bloqueio coulomb . O elétron que fez um túnel para a ilha pode fazer um túnel para o dreno.

Os transistores de elétrons simples operam perto do zero absoluto. A exceção é o transistor de elétron único de grafeno, que possui uma ilha de grafeno. Todos são dispositivos experimentais.

Transistor de grafeno e nanotubo de carbono

Transistor de grafeno: A grafite, um alótropo do carbono, não tem a estrutura cristalina rígida e interligada do diamante. No entanto, ele tem uma estrutura cristalina - um átomo de espessura, a chamada estrutura bidimensional. A grafite é um cristal tridimensional. No entanto, ele se divide em folhas finas. Os experimentadores, levando isso ao extremo, produzem partículas do tamanho de um mícron tão finas quanto um único átomo conhecido como grafeno . (Figura abaixo (a)) Essas membranas têm propriedades eletrônicas exclusivas. Altamente condutiva, a condução é por elétrons ou buracos, sem dopagem de qualquer tipo. [AKG]

As folhas de grafeno podem ser cortadas em estruturas de transistor por técnicas litográficas. Os transistores têm alguma semelhança com um MOSFET. Uma porta capacitivamente acoplada a um canal de grafeno controla a condução.

Conforme os transistores de silício aumentam para tamanhos menores, o vazamento aumenta junto com a dissipação de energia. E eles ficam menores a cada dois anos. Os transistores de grafeno dissipam pouca energia. E, eles mudam em alta velocidade. O grafeno pode ser um substituto para o silício algum dia.

O grafeno pode ser transformado em dispositivos de até sessenta átomos de largura. Pontos quânticos de grafeno dentro de um transistor tão pequeno servem como transistores de elétron único . Os transistores de elétrons anteriores, feitos de supercondutores ou semicondutores convencionais, operam perto do zero absoluto. Os transistores de elétron único de grafeno funcionam exclusivamente em temperatura ambiente. [JWA]

Os transistores de grafeno são curiosidades de laboratório na época. Se eles entrarem em produção daqui a duas décadas, as bolachas de grafeno devem ser produzidas. A primeira etapa, a produção de grafeno por deposição química de vapor (CVD), foi realizada em escala experimental. Porém, nenhum wafers está disponível até o momento.



(a) Grafeno:Uma única folha do alótropo de grafite de carbono. Os átomos são organizados em um padrão hexagonal com um carbono em cada intersecção. (b) Nanotubo de carbono:uma folha enrolada de grafeno.

Transistor de nanotubo de carbono: Se uma folha 2-D de grafeno é enrolada, a estrutura 1-D resultante é conhecida como um nanotubo de carbono . (Figura acima (b)) A razão para tratá-lo como unidimensional é que ele é altamente condutivo. Os elétrons atravessam o nanotubo de carbono sem serem espalhados por uma rede de cristal. A resistência em metais normais é causada pelo espalhamento de elétrons pela rede cristalina metálica. Se os elétrons evitam esse espalhamento, a condução é considerada por transporte balístico . Nanotubos de carbono metálicos (atuantes) e semicondutores foram produzidos. [MBR]

Transistores de efeito de campo podem ser formados a partir de nanotubos de carbono depositando contatos de fonte e dreno nas extremidades e acoplando capacitivamente uma porta ao nanotubo entre os contatos. Ambos os transistores do tipo p e n foram fabricados. Por que o interesse em transistores de nanotubos de carbono? Os semicondutores nanotubos são menores, mais rápidos e com menor potência em comparação com os transistores de silício. [PNG]

Spintrônica

Spintrônica: Semicondutores convencionais controlam o fluxo de carga de elétrons, corrente. Os estados digitais são representados por fluxo de corrente “ligado” ou “desligado”. À medida que os semicondutores se tornam mais densos com a mudança para uma geometria menor, a energia que deve ser dissipada à medida que o calor aumenta a ponto de ser difícil de remover. Os elétrons têm outras propriedades além da carga, como o spin. Uma tentativa de explicação do spin do elétron é a rotação da carga eletrônica distribuída em torno do eixo de rotação, análoga à rotação diurna da Terra. Os loops de corrente criados pelo movimento da carga, formam um campo magnético. No entanto, o elétron é mais parecido com uma carga pontual do que com uma carga distribuída. Assim, a analogia da carga distribuída rotativa não é uma explicação correta do spin. O spin do elétron pode ter um de dois estados:para cima ou para baixo, que pode representar estados digitais. Mais precisamente, o número quântico de spin (ms) pode ser ± 1/2 o número quântico do momento angular (l). [DDA]

O controle do spin do elétron em vez do fluxo de carga reduz consideravelmente a dissipação de energia e aumenta a velocidade de comutação. Spintrônica , um acrônimo para SPIN TRansport electrONICS, não é amplamente aplicado devido à dificuldade de gerar, controlar e detectar o spin do elétron. No entanto, a memória de spin magnético não volátil de alta densidade está em produção usando processos de semicondutores modificados. Isso está relacionado à válvula de rotação cabeça de leitura magnética usada em unidades de disco rígido de computador, não mencionada mais adiante aqui.

Uma simples junção de túnel magnético (MTJ) é mostrado na Figura abaixo (a), consistindo em um par de ferromagnético , fortes propriedades magnéticas como ferro (Fe), camadas separadas por um isolante fino. Os elétrons podem criar um túnel através de um isolador suficientemente fino devido às propriedades mecânicas quânticas dos elétrons - a natureza ondulatória dos elétrons. O fluxo de corrente através do MTJ é uma função da magnetização, polaridade de spin, das camadas ferromagnéticas. A resistência do MTJ é baixa se a rotação magnética da camada superior estiver na mesma direção (polaridade) da camada inferior. Se os spins magnéticos das duas camadas se opõem, a resistência é maior. [WJG]



(a) Junção de túnel magnético (MTJ):Par de camadas ferromagnéticas separadas por um isolador fino. A resistência varia com a polaridade de magnetização da camada superior (b) O ímã de polarização antiferromagnética e a camada ferromagnética inferior fixada aumentam a sensibilidade da resistência a mudanças na polaridade da camada ferromagnética superior. Adaptado de [WJG] Figura 3.

A mudança na resistência pode ser aumentada pela adição de um antiferroímã , material tendo spins alinhados, mas opostos, abaixo da camada inferior na Figura acima (b). Este ímã de polarização alfinetes a camada ferromagnética inferior gira para uma única polaridade imutável. A magnetização da camada superior (rotação) pode ser invertida para representar os dados pela aplicação de um campo magnético externo não mostrado na figura. A camada fixada não é afetada por campos magnéticos externos. Novamente, a resistência MTJ é mais baixa quando a rotação da camada ferromagnética superior tem o mesmo sentido que a camada ferromagnética fixada inferior. [WJG]

O MTJ pode ser melhorado ainda mais dividindo a camada ferromagnética fixada em duas camadas separadas por uma camada tampão na Figura abaixo (a). Isso isola a camada superior. A camada ferromagnética inferior é fixada pelo antiferroímã como na figura anterior. A camada ferromagnética no topo do buffer é atraída pela camada ferromagnética inferior. Os opostos se atraem. Assim, a polaridade de spin da camada adicional é oposta à da camada inferior devido à atração. As camadas ferromagnéticas inferior e intermediária permanecem fixas. A camada ferromagnética superior pode ser definida para qualquer polaridade de rotação por altas correntes em condutores próximos (não mostrado). É assim que os dados são armazenados. Os dados são lidos pela diferença no fluxo de corrente através da junção do túnel. A resistência é mais baixa se as camadas de ambos os lados da camada isolante tiverem o mesmo spin. [WJG]



(a) A divisão da camada ferromagnética fixada de (b) por uma camada tampão melhora a estabilidade e isola a camada superior ferromagnética não fixada. Os dados são armazenados na camada ferromagnética superior com base na polaridade de spin (b) célula MTJ incorporada em linhas de leitura de uma matriz semicondutora - uma de muitas MTJs. Adaptado de [IBM]

Uma matriz de junções de túnel magnético pode ser incorporada em um wafer de silício com condutores conectando os terminais superior e inferior para ler bits de dados do MTJ com circuitos CMOS convencionais. Um desses MTJ é mostrado na Figura acima (b) com os condutores lidos. Não mostrado, outra matriz cruzada de condutores carregando fortes correntes de gravação muda o giro magnético da camada ferromagnética superior para armazenar dados. Uma corrente é aplicada a um dos muitos condutores “X” e um condutor “Y”. Um MTJ na matriz é magnetizado sob o cruzamento dos condutores. Os dados são lidos detectando a corrente MTJ com circuitos convencionais de semicondutores de silício. [IBM]

A principal razão para o interesse na memória de junção de túnel magnético é que ela é não volátil . Ele não perde dados quando desligado. Outros tipos de memória não volátil são capazes de apenas ciclos de armazenamento limitados. A memória MTJ também tem uma velocidade mais alta do que a maioria dos tipos de memória de semicondutor. Agora (2006) é um produto comercial. [TLE]

Não é um produto comercial, ou mesmo um dispositivo de laboratório, o transistor de spin teórico que pode um dia tornar possíveis portas lógicas de spin. O transistor de spin é um derivado do diodo de spin teórico. Já se sabe há algum tempo que os elétrons que fluem através de um ferromagneto de ferro-cobalto tornam-se polarizados por spin. O ferromagneto atua como um filtro, passando preferencialmente os elétrons de um spin. Esses elétrons podem fluir para um condutor não magnético adjacente (ou semicondutor), retendo a polarização de spin por um curto período de tempo, nanossegundos. Porém, elétrons com polarização de spin podem se propagar por uma distância considerável em comparação com as dimensões de semicondutores. Os elétrons polarizados de spin podem ser detectados por uma camada ferromagnética de níquel-ferro adjacente ao semicondutor. [DDA] [RCJ2]

Também foi demonstrado que a polarização do spin do elétron ocorre quando a luz polarizada circularmente ilumina alguns materiais semicondutores. Assim, deve ser possível injetar elétrons com polarização de spin em um diodo semicondutor ou transistor. O interesse em transistores e portas baseados em spin é devido à natureza não dissipativa da propagação de spin, em comparação com o fluxo de carga dissipativo. Conforme os semicondutores convencionais são reduzidos em tamanho, a dissipação de energia aumenta. Em algum ponto, a redução não será mais prática. Os pesquisadores estão procurando um substituto para o transistor baseado em fluxo de carga convencional. Esse dispositivo pode ser baseado em spintrônica. [RCJ]

REVER:

• À medida que o óxido de porta MOS diminui com cada geração de transistores menores, o vazamento de porta excessivo causa dissipação de energia e aquecimento inaceitáveis. O limite de redução da geometria de semicondutor convencional está à vista.
• Díodo de tunelamento ressonante (RTD):efeitos mecânicos quânticos, que degradam os semicondutores convencionais, são empregados no RTD. O fluxo de elétrons através de um isolador suficientemente fino é devido à natureza ondulatória da dualidade de onda elétron-partícula. O RTD funciona como um amplificador.
• Transistor de tunelamento de camada dupla (Deltt):O Deltt é uma versão a transistor do RTD. O enviesamento de porta controla a capacidade dos elétrons de criarem um túnel através de um isolador fino de um poço quântico para outro (fonte para drenar).
• Transistor de ponto quântico:Um ponto quântico, capaz de manter uma carga, é cercado por uma barreira de túnel fino que substitui a porta de um FET convencional. A carga no ponto quântico controla a fonte para drenar o fluxo de corrente.
• Spintrônica:os elétrons têm duas propriedades básicas:carga e spin. Dispositivos eletrônicos convencionais controlam o fluxo de carga, dissipando energia. Dispositivos spintrônicos manipulam o spin do elétron, um processo propagativo e não dissipativo.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de condução elétrica em semicondutores