Quantengeräte

Die meisten integrierten Schaltungen sind digital und basieren auf MOS-(CMOS)-Transistoren. Seit den späten 1960er Jahren findet alle paar Jahre eine Geometrieverkleinerung statt, die die Schaltungsdichte erhöht – mehr Schaltungen zu geringeren Kosten auf demselben Raum. Zum Zeitpunkt dieses Schreibens (2006) beträgt die Gate-Länge des MOS-Transistors 65 nm für die Spitzenproduktion, wobei 45 nm innerhalb eines Jahres erwartet werden. Bei 65 nm wurden Leckströme sichtbar. Bei 45-nm waren heroische Innovationen erforderlich, um diese Leckage zu minimieren. Das Ende der Schrumpfung bei MOS-Transistoren wird bei 20 bis 30 nm erwartet. Einige denken jedoch, dass 1 bis 2 nm die Grenze sind. Die Fotolithografie oder andere lithografische Techniken werden sich weiter verbessern und eine immer kleinere Geometrie bereitstellen. Es wird jedoch nicht erwartet, dass herkömmliche MOS-Transistoren bei diesen kleineren Geometrien unter 20 bis 30 nm verwendbar sind.

Eine verbesserte Photolithographie muss auf andere Abmessungen als die herkömmlichen Transistoren (unter 20 bis 30 nm) angewendet werden. Die unerwünschten MOS-Leckströme sind auf quantenmechanische Effekte zurückzuführen – Elektronentunneln durch das Gateoxid und den engen Kanal. Zusammenfassend sind quantenmechanische Effekte ein Hindernis für immer kleinere konventionelle MOS-Transistoren. Der Weg zu Geräten mit immer kleinerer Geometrie führt zu einzigartigen aktiven Geräten, die quantenmechanische Prinzipien praktisch nutzen. Da die physikalische Geometrie sehr klein wird, können Elektronen als das quantenmechanische Äquivalent behandelt werden:eine Welle. Geräte, die quantenmechanische Prinzipien nutzen, umfassen resonante Tunneldioden, Quantentunneltransistoren, Metallisolator-Metalldioden und Quantenpunkttransistoren.

Quantum Tunneling

Quantentunneln: ist der Durchgang von Elektronen durch eine isolierende Barriere, die im Vergleich zur de Broglie-Elektronenwellenlänge dünn ist. Wenn die „Elektronenwelle“ im Vergleich zur Barriere groß ist, besteht die Möglichkeit, dass die Welle auf beiden Seiten der Barriere auftritt.

Klassische Ansicht eines Elektrons, das eine Barriere überwindet oder nicht. Die quantenmechanische Betrachtung ermöglicht es einem Elektron, durch eine Barriere zu tunneln. Die Wahrscheinlichkeit (grün) bezieht sich auf die Barrierendicke. Nach Abbildung 1

In der klassischen Physik muss ein Elektron genügend Energie haben, um eine Barriere zu überwinden. Andernfalls prallt es von der Barriere ab. (Abbildung oben) Die Quantenmechanik lässt eine Wahrscheinlichkeit zu, dass sich das Elektron auf der anderen Seite der Barriere befindet. Als Welle betrachtet, kann das Elektron im Vergleich zur Dicke der Barriere ziemlich groß erscheinen. Selbst wenn man sie als Welle behandelt, besteht nur eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass sie auf der anderen Seite einer dicken Barriere gefunden wird. Siehe grüner Teil der Kurve, Abbildung oben. Das Ausdünnen der Barriere erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass das Elektron auf der anderen Seite der Barriere gefunden wird.

Tunneldiode

Tunneldiode: Der unqualifizierte Begriff Tunneldiode bezieht sich auf die Esaki-Tunneldiode , ein frühes Quantengerät. Eine in Sperrrichtung vorgespannte Diode bildet einen Verarmungsbereich, einen Isolierbereich, zwischen der leitenden Anode und der Kathode. Dieser Verarmungsbereich ist im Vergleich zur Elektronenwellenlänge nur dünn, wenn er stark dotiert ist – das 1000-fache der Dotierung einer Gleichrichterdiode. Bei richtiger Vorspannung ist Quantentunneln möglich. Siehe CH 3 für Details.

Resonante Tunneldiode (RTD)

RTD, resonante Tunneldiode: Dies ist ein Quantenbauelement, das nicht mit der Esaki-Tunneldiode CH 3 verwechselt werden darf, einem herkömmlichen stark dotierten bipolaren Halbleiter. Elektronen Tunnel durch zwei durch eine Wanne getrennte Barrieren in einer fließenden Quelle zum Drain in einer resonanten Tunneldiode . Tunneln wird auch als quantenmechanisches Tunneln bezeichnet. Der Elektronenfluss wird durch eine Diodenvorspannung gesteuert. Dadurch werden die Energieniveaus der Elektronen in der Quelle an das quantisierte Niveau in der Wanne angepasst, so dass Elektronen durch die Barrieren tunneln können. Das Energieniveau in der Mulde wird quantisiert, da die Mulde klein ist. Wenn die Energieniveaus gleich sind, wird eine Resonanz auftritt, wodurch ein Elektronenfluss durch die Barrieren ermöglicht wird, wie in Abbildung unten (b) gezeigt. Keine Vorspannung oder zu viel Vorspannung, in den Abbildungen unten (a) bzw. (c), führt zu einer Energiefehlanpassung zwischen der Quelle und der Wanne und keine Leitung.

Resonanztunneldiode (RTD):(a) Keine Vorspannung, Source- und Well-Energieniveaus nicht angepasst, keine Leitung. (b) Kleine Vorspannung verursacht angepasste Energieniveaus (Resonanz); Leitungsergebnisse. (c) Weitere Bias-Fehlanpassungen passen die Energieniveaus an, was die Leitung verringert.

Wenn die Vorspannung von Null über das RTD erhöht wird, nimmt der Strom zu und dann ab, entsprechend den Aus-, Ein- und Aus-Zuständen. Dies ermöglicht eine Vereinfachung herkömmlicher Transistorschaltungen, indem zwei Transistoren durch ein Paar RTDs ersetzt werden. Zum Beispiel bilden zwei Back-to-Back-RTDs und ein Transistor eine Speicherzelle, die im Vergleich zu einer herkömmlichen Schaltung weniger Komponenten, weniger Fläche und Leistung benötigt. Die potenzielle Anwendung von RTDs besteht darin, die Anzahl der Komponenten, die Fläche und die Verlustleistung herkömmlicher Transistorschaltungen zu reduzieren, indem einige, wenn auch nicht alle, Transistoren ersetzt werden. [GEP] RTDs schwingen bis zu 712 GHz. [ERB]

Doppelschichtiger Tunneltransistor (Deltt)

Doppelschichtiger Tunneltransistor: Das Deltt , auch bekannt als der Doppelschicht-Tunneltransistor ist aus einem Paar leitender Wannen aufgebaut, die durch einen Isolator oder einen Halbleiter mit hoher Bandlücke getrennt sind. (Abbildung unten) Die Wells sind so dünn, dass Elektronen auf zwei Dimensionen beschränkt sind. Diese sind als Quantenquellen bekannt . Ein Paar dieser Quantentöpfe ist durch eine dünne GaAlAs-Schicht mit hoher Bandlücke (leidet nicht leicht leitend) isoliert. Elektronen können tunneln durch die Isolierschicht, wenn die Elektronen in den beiden Quantentöpfen den gleichen Impuls und die gleiche Energie haben. Die Wells sind so dünn, dass das Elektron als Welle behandelt werden kann – die quantenmechanische Dualität von Teilchen und Wellen. Die oberen und optionalen unteren Steuergates können eingestellt werden, um die Energieniveaus (Resonanz) der Elektronen auszugleichen, um eine Leitung von Source zu Drain zu ermöglichen. Abbildung unten, rote Balken des Barrierendiagramms zeigen ungleiche Energieniveaus in den Wells, einen „Aus-Zustand“-Zustand. Die richtige Vorspannung der Gates gleicht die Energieniveaus der Elektronen in den Wannen aus, der "Ein-Zustand"-Zustand. Die Balken würden im Energieniveaudiagramm auf derselben Höhe liegen.

Doppelschicht-Tunneltransistor (Deltt) besteht aus zwei Elektronen enthaltenden Wannen, die durch eine nichtleitende Barriere getrennt sind. Die Gatespannungen können so eingestellt werden, dass Energie und Impuls der Elektronen in den Wannen gleich sind, was es den Elektronen ermöglicht, durch die nichtleitende Barriere zu tunneln. (Die Energieniveaus sind im Barrierendiagramm als ungleich dargestellt.)

Wenn die Gate-Vorspannung über die für das Tunneln erforderliche hinaus erhöht wird, stimmen die Energieniveaus in den Quantentöpfen nicht mehr überein, das Tunneln wird verhindert, der Source-Drain-Strom nimmt ab. Zusammenfassend führt eine Erhöhung der Gate-Vorspannung von Null zu Ein-, Aus-, Ein-Bedingungen. Dies ermöglicht es, ein Paar von Delts in der Art eines komplementären CMOS-Paares zu stapeln; jedoch sind unterschiedliche p- und n-Typ-Transistoren nicht erforderlich. Die Versorgungsspannung beträgt ca. 100 mV. Es wurden experimentelle Deltas hergestellt, die bei 4,2 K, 77 K und 0 °C arbeiten. Raumtemperaturversionen werden erwartet.[GEP] [IGB] [PFS]

Metall-Isolator-Isolator-Metall (MIIM)

MIIM-Diode: Das Metall-Isolator-Isolator-Metall (MIIM)-Diode ist ein Quantentunnelbauelement, das nicht auf Halbleitern basiert. Siehe Abbildung unten „MIIM-Diodenabschnitt“. Die Isolatorschichten müssen im Vergleich zur de Broglie-Elektronenwellenlänge dünn sein, damit Quantentunneln möglich ist. Für eine Diodenwirkung muss es eine bevorzugte Tunnelrichtung geben, was zu einer scharfen Krümmung in der Diodendurchlasskennlinie führt. Die MIIM-Diode hat eine schärfere Durchlasskurve als die Metall-Isolator-Metall-(MIM)-Diode, die hier nicht berücksichtigt wird.

Metall-Isolator-Isolator-Metall-(MIIM)-Diode:Querschnitt der Diode. Energieniveaus für keine Vorspannung, Durchlassvorspannung und Sperrvorspannung. Nach Abbildung 1.

Die Energieniveaus von M1 und M2 sind in der obigen Abbildung „no bias“ gleich. Allerdings können (thermische) Elektronen aufgrund der hohen I1- und I2-Barrieren nicht fließen. Elektronen im Metall M2 haben ein höheres Energieniveau in „reverse bias“ Abbildung oben, können aber immer noch die Isolatorbarriere nicht überwinden. Wenn die obige Abbildung mit „Forward Bias“ erhöht wird, wird ein Quantenbrunnen , ein Bereich, in dem Elektronen existieren können, wird zwischen den Isolatoren gebildet. Elektronen können den Isolator I1 passieren, wenn M1 auf demselben Energieniveau wie der Quantentopf basiert. Eine einfache Erklärung ist, dass der Abstand durch die Isolatoren kürzer ist. Eine längere Erklärung ist, dass mit zunehmender Vorspannung die Wahrscheinlichkeit zunimmt, dass die Elektronenwelle von M1 zum Quantentopf überlappt. Für eine ausführlichere Erklärung siehe Phiar Corp. [PHI]

MIIM-Geräte arbeiten mit höheren Frequenzen (3,7 THz) als Mikrowellentransistoren. [RCJ3] Das Hinzufügen einer dritten Elektrode zu einer MIIM-Diode erzeugt einen Transistor.

Quantenpunkttransistor

Quantenpunkttransistor: Ein isolierter Leiter kann eine Ladung aufnehmen, die bei großen Objekten in Coulomb gemessen wird. Für einen isolierten Nanoleiter, bekannt als Quantenpunkt , die Ladung wird in Elektronen gemessen. Ein Quantenpunkt von 1 bis 3 nm kann eine inkrementelle Ladung eines einzelnen Elektrons annehmen. Dies ist die Grundlage des Quantenpunkttransistors , auch bekannt als Einzelelektronentransistor .

Ein Quantenpunkt, der auf einem dünnen Isolator über einer elektronenreichen Quelle platziert wird, wird als Einzelelektronenkasten bezeichnet . (Abbildung unten (a)) Die Energie, die zum Übertragen eines Elektrons erforderlich ist, hängt von der Größe des Punkts und der Anzahl der bereits auf dem Punkt befindlichen Elektronen ab.

Eine Gate-Elektrode über dem Quantenpunkt kann das Energieniveau des Punktes so einstellen, dass ein quantenmechanisches Tunneln eines Elektrons (als Welle) von der Quelle durch den Isolator möglich ist. (Abbildung unten (b)) Somit kann ein einzelnes Elektron zum Punkt tunneln.

(a) Einzelelektronenbox, ein isolierter Quantenpunkt, der durch einen Isolator von einer Elektronenquelle getrennt ist. (b) Positive Ladung auf dem Gate polarisiert den Quantenpunkt, wobei ein Elektron von der Quelle zum Punkt getunnelt wird. (c) Quantentransistor:Kanal wird durch einen Quantenpunkt ersetzt, der von einer Tunnelbarriere umgeben ist.

Wenn der Quantenpunkt von einer Tunnelbarriere umgeben und zwischen Source und Drain eines herkömmlichen FET eingebettet ist, wie in Abbildung oben (c), kann die Ladung auf dem Punkt den Elektronenfluss von Source zu Drain modulieren. Wenn die Gatespannung ansteigt, steigt der Source-Drain-Strom bis zu einem gewissen Punkt an. Ein weiterer Anstieg der Gatespannung verringert den Drainstrom. Dies ist dem Verhalten der RTD- und Deltt-Resonanzgeräte ähnlich. Es ist nur eine Art von Transistor erforderlich, um ein komplementäres Logikgatter aufzubauen.[GEP]

Einzelelektronentransistor

Einzelelektronentransistor: Wenn ein Paar von Leitern, Supraleitern oder Halbleitern durch ein Paar Tunnelbarrieren (Isolator) getrennt sind, die eine winzige leitfähige Insel wie einen Quantenpunkt umgeben, kann der Fluss einer einzelnen Ladung (ein Cooper-Paar für Supraleiter) gesteuert werden durch ein Tor. Dies ist ein Einzelelektronentransistor ähnlich der Abbildung oben (c). Durch Erhöhen der positiven Ladung am Gate kann ein Elektron zur Insel tunneln. Wenn sie ausreichend klein ist, führt die niedrige Kapazität dazu, dass das Punktpotential aufgrund des einzelnen Elektrons erheblich ansteigt. Aufgrund der Elektronenladung können keine Elektronen mehr zur Insel tunneln. Dies ist bekannt bei der Coulomb-Blockade . Das Elektron, das zur Insel getunnelt ist, kann zum Abfluss tunneln.

Einzelelektronentransistoren arbeiten nahe dem absoluten Nullpunkt. Die Ausnahme ist der Graphen-Einzelelektronentransistor mit einer Grapheninsel. Sie sind alle experimentelle Geräte.

Graphen- und Kohlenstoff-Nanoröhren-Transistor

Graphen-Transistor: Graphit, ein Allotrop von Kohlenstoff, hat nicht die starre ineinandergreifende kristalline Struktur von Diamant. Trotzdem hat es eine kristalline Struktur – ein Atom dick, eine sogenannte zweidimensionale Struktur. Ein Graphit ist ein dreidimensionaler Kristall. Es spaltet sich jedoch in dünne Blätter. Experimentatoren, die dies auf die Spitze treiben, produzieren mikrometergroße Flecken, die so dünn sind wie ein einzelnes Atom, bekannt als Graphen . (Abbildung unten (a)) Diese Membranen haben einzigartige elektronische Eigenschaften. Hochleitfähig, die Leitung erfolgt entweder durch Elektronen oder Löcher, ohne jegliche Dotierung. [AKG]

Graphenfolien können durch lithographische Techniken in Transistorstrukturen geschnitten werden. Die Transistoren haben eine gewisse Ähnlichkeit mit einem MOSFET. Ein kapazitiv an einen Graphenkanal gekoppeltes Gate steuert die Leitung.

Wenn Siliziumtransistoren auf kleinere Größen skaliert werden, nimmt die Leckage zusammen mit der Verlustleistung zu. Und sie werden alle paar Jahre kleiner. Graphen-Transistoren verbrauchen wenig Leistung. Und sie schalten mit hoher Geschwindigkeit um. Graphen könnte eines Tages ein Ersatz für Silizium sein.

Graphen kann zu Geräten mit einer Breite von nur sechzig Atomen verarbeitet werden. Graphen-Quantenpunkte in einem so kleinen Transistor dienen als Einzelelektronen-Transistoren . Frühere Einzelelektronentransistoren, die entweder aus Supraleitern oder herkömmlichen Halbleitern hergestellt wurden, arbeiten nahe dem absoluten Nullpunkt. Graphen-Einzelelektronentransistoren funktionieren auf einzigartige Weise bei Raumtemperatur.[JWA]

Graphen-Transistoren sind derzeit Laborkuriositäten. Wenn sie in zwei Jahrzehnten in Produktion gehen sollen, müssen Graphen-Wafer hergestellt werden. Der erste Schritt, die Herstellung von Graphen durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD), wurde im experimentellen Maßstab durchgeführt. Bisher sind jedoch keine Wafer verfügbar.

(a) Graphen:Ein einzelnes Blatt des Graphitallotrops von Kohlenstoff. Die Atome sind in einem hexagonalen Muster mit einem Kohlenstoff an jedem Schnittpunkt angeordnet. (b) Kohlenstoff-Nanoröhrchen:Eine aufgerollte Graphenschicht.

Kohlenstoff-Nanoröhren-Transistor: Wenn eine 2D-Graphenschicht gerollt wird, ist die resultierende 1D-Struktur als Kohlenstoff-Nanoröhre bekannt . (Abbildung oben (b)) Der Grund, es als eindimensional zu behandeln, ist seine hohe Leitfähigkeit. Elektronen durchqueren die Kohlenstoffnanoröhre, ohne an einem Kristallgitter gestreut zu werden. Der Widerstand in normalen Metallen wird durch die Streuung von Elektronen am metallischen Kristallgitter verursacht. Wenn Elektronen diese Streuung vermeiden, spricht man von der Leitung durch ballistischen Transport . Es wurden sowohl metallische (wirkende) als auch halbleitende Kohlenstoff-Nanoröhrchen hergestellt. [MBR]

Feldeffekttransistoren können aus Kohlenstoff-Nanoröhren hergestellt werden, indem Source- und Drain-Kontakte an den Enden abgeschieden werden und ein Gate zwischen den Kontakten kapazitiv an die Nanoröhre gekoppelt wird. Es wurden sowohl p- als auch n-Transistoren hergestellt. Warum das Interesse an Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Transistoren? Nanoröhren-Halbleiter sind im Vergleich zu Siliziumtransistoren kleiner, schneller und haben eine geringere Leistung. [PNG]

Spintronik

Spintronik: Herkömmliche Halbleiter steuern den Fluss der Elektronenladung, des Stroms. Digitale Zustände werden durch „ein“ oder „aus“ Stromfluss dargestellt. Da Halbleiter mit dem Übergang zu einer kleineren Geometrie dichter werden, steigt die Leistung, die mit der Wärme abgeführt werden muss, bis zu einem Punkt, an dem sie schwer zu entfernen ist. Elektronen haben andere Eigenschaften als Ladung, wie zum Beispiel Spin. Eine vorläufige Erklärung des Elektronenspins ist die Rotation der verteilten Elektronenladung um die Spinachse, analog zur Tagesrotation der Erde. Die durch die Ladungsbewegung erzeugten Stromschleifen bilden ein magnetisches Feld. Das Elektron ähnelt jedoch eher einer Punktladung als einer verteilten Ladung. Daher ist die Analogie der rotierenden verteilten Ladung keine korrekte Erklärung des Spins. Der Elektronenspin kann einen von zwei Zuständen haben:aufwärts oder abwärts, was digitale Zustände darstellen kann. Genauer gesagt kann die Spin-(ms)-Quantenzahl ±1/2 der Drehimpuls-(l)-Quantenzahl sein. [DDA]

Die Steuerung des Elektronenspins anstelle des Ladungsflusses reduziert die Verlustleistung erheblich und erhöht die Schaltgeschwindigkeit. Spintronik , ein Akronym für SPIN TRansport ELECTRONICS, wird wegen der Schwierigkeit, Elektronenspins zu erzeugen, zu steuern und zu erfassen, nicht weit verbreitet verwendet. Jedoch wird ein nichtflüchtiger magnetischer Spinspeicher hoher Dichte unter Verwendung modifizierter Halbleiterprozesse hergestellt. Dies hängt mit dem Spinventil zusammen magnetischer Lesekopf, der in Computerfestplatten verwendet wird, hier nicht weiter erwähnt.

Ein einfacher magnetischer Tunnelübergang (MTJ) ist in Abbildung unten (a) dargestellt, bestehend aus einem Paar von ferromagnetischen , starke magnetische Eigenschaften wie Eisen (Fe), Schichten durch einen dünnen Isolator getrennt. Elektronen können aufgrund der quantenmechanischen Eigenschaften von Elektronen – der Wellennatur von Elektronen – durch einen ausreichend dünnen Isolator tunneln. Der Stromfluss durch den MTJ ist eine Funktion der Magnetisierung, Spinpolarität, der ferromagnetischen Schichten. Der Widerstand des MTJ ist gering, wenn der magnetische Spin der oberen Schicht in der gleichen Richtung (Polarität) wie der unteren Schicht liegt. Wenn sich die magnetischen Spins der beiden Schichten entgegensetzen, ist der Widerstand höher. [WJG]

(a) Magnetischer Tunnelübergang (MTJ):Paar ferromagnetischer Schichten, die durch einen dünnen Isolator getrennt sind. Der Widerstand variiert mit der Magnetisierungspolarität der oberen Schicht. (b) Der antiferromagnetische Vormagnetisierungsmagnet und die gepinnte untere ferromagnetische Schicht erhöhen die Widerstandsempfindlichkeit gegenüber Polaritätsänderungen der oberen ferromagnetischen Schicht. Angepasst von [WJG] Abbildung 3.

Die Widerstandsänderung kann durch Hinzufügen eines Antiferromagneten . verstärkt werden , Material mit ausgerichteten, aber entgegengesetzten Spins, unterhalb der unteren Schicht in Abbildung oben (b). Dieser Bias-Magnet Stifte die untere ferromagnetische Schicht dreht sich zu einer einzigen sich nicht ändernden Polarität. Die Magnetisierung (Spin) der oberen Schicht kann umgedreht werden, um Daten durch Anlegen eines externen Magnetfelds darzustellen, das in der Figur nicht gezeigt ist. Die gepinnte Schicht wird durch externe Magnetfelder nicht beeinflusst. Auch hier ist der MTJ-Widerstand am niedrigsten, wenn der Spin der oberen ferromagnetischen Schicht dieselbe Richtung hat wie die der unteren gepinnten ferromagnetischen Schicht. [WJG]

Der MTJ kann weiter verbessert werden, indem die fixierte ferromagnetische Schicht in zwei Schichten geteilt wird, die durch eine Pufferschicht in Abbildung unten (a) getrennt sind. Dadurch wird die oberste Schicht isoliert. Die untere ferromagnetische Schicht wird wie in der vorherigen Abbildung durch den Antiferromagneten gepinnt. Die ferromagnetische Schicht über dem Puffer wird von der unteren ferromagnetischen Schicht angezogen. Gegensätze ziehen sich an. Somit ist die Spinpolarität der zusätzlichen Schicht aufgrund der Anziehung entgegengesetzt zu der in der unteren Schicht. Die untere und mittlere ferromagnetische Schicht bleiben fixiert. Die obere ferromagnetische Schicht kann durch hohe Ströme in benachbarten Leitern (nicht gezeigt) auf jede Spinpolarität eingestellt werden. Auf diese Weise werden Daten gespeichert. Die Daten werden durch die Differenz des Stromflusses durch den Tunnelübergang ausgelesen. Der Widerstand ist am niedrigsten, wenn die Schichten auf beiden Seiten der Isolierschicht den gleichen Spin aufweisen. [WJG]

(a) Das Aufteilen der fixierten ferromagnetischen Schicht von (b) durch eine Pufferschicht verbessert die Stabilität und isoliert die obere ferromagnetische nicht fixierte Schicht. Die Daten werden in der oberen ferromagnetischen Schicht basierend auf der Spinpolarität gespeichert (b) MTJ-Zelle, die in Leseleitungen eines Halbleiterchips eingebettet ist – einer von vielen MTJs. Angepasst von [IBM]

Ein Array von magnetischen Tunnelübergängen kann in einen Siliziumwafer eingebettet sein, wobei Leiter die oberen und unteren Anschlüsse verbinden, um Datenbits von den MTJs mit herkömmlichen CMOS-Schaltkreisen zu lesen. Ein solcher MTJ ist in Abbildung oben (b) mit den Leseleitern gezeigt. Nicht gezeigt schaltet eine andere gekreuzte Anordnung von Leitern, die starke Schreibströme tragen, den magnetischen Spin der oberen ferromagnetischen Schicht, um Daten zu speichern. Ein Strom wird an einen von vielen „X“-Leitern und einen „Y“-Leiter angelegt. Ein MTJ im Array ist unter der Leiterkreuzung magnetisiert. Die Daten werden ausgelesen, indem der MTJ-Strom mit einer herkömmlichen Silizium-Halbleiterschaltung gemessen wird. [IBM]

Der Hauptgrund für das Interesse an Speicher mit magnetischem Tunnelübergang ist, dass er nichtflüchtig ist . Es verliert keine Daten, wenn es „ausgeschaltet“ ist. Andere Arten von nichtflüchtigem Speicher sind nur zu begrenzten Speicherzyklen fähig. MTJ-Speicher ist auch schneller als die meisten Halbleiterspeichertypen. Es ist jetzt (2006) ein kommerzielles Produkt. [TLE]

Kein kommerzielles Produkt oder auch nur ein Laborgerät ist der theoretische Spin-Transistor, der eines Tages Spin-Logikgatter möglich machen könnte. Der Spintransistor ist eine Ableitung der theoretischen Spindiode. Es ist seit einiger Zeit bekannt, dass Elektronen, die durch einen Kobalt-Eisen-Ferromagneten fließen, spinpolarisiert werden. Der Ferromagnet wirkt als Filter, der Elektronen eines Spins bevorzugt durchlässt. Diese Elektronen können in einen benachbarten nichtmagnetischen Leiter (oder Halbleiter) fließen, der die Spinpolarisation für eine kurze Zeit, Nanosekunden, behält. Allerdings können sich spinpolarisierte Elektronen im Vergleich zu Halbleiterabmessungen über eine beträchtliche Distanz ausbreiten. Die spinpolarisierten Elektronen können durch eine ferromagnetische Nickel-Eisen-Schicht neben dem Halbleiter nachgewiesen werden. [DDA] [RCJ2]

Es wurde auch gezeigt, dass Elektronenspinpolarisation auftritt, wenn zirkular polarisiertes Licht einige Halbleitermaterialien beleuchtet. Somit sollte es möglich sein, spinpolarisierte Elektronen in eine Halbleiterdiode oder einen Halbleitertransistor zu injizieren. Das Interesse an spinbasierten Transistoren und Gates liegt in der nicht dissipativen Natur der Spinausbreitung im Vergleich zum dissipativen Ladungsfluss. Da herkömmliche Halbleiter in der Größe verkleinert werden, nimmt die Verlustleistung zu. Irgendwann wird das Herunterskalieren nicht mehr praktikabel sein. Forscher suchen nach einem Ersatz für den herkömmlichen Ladungsfluss-basierten Transistor. Dieses Gerät kann auf Spintronik basieren. [RCJ]

RÜCKBLICK:

• Da das MOS-Gate-Oxid mit jeder Generation kleinerer Transistoren dünner wird, führt ein übermäßiger Gate-Leckstrom zu inakzeptabler Verlustleistung und Erwärmung. Die Grenze der Verkleinerung der konventionellen Halbleitergeometrie ist in Sichtweite.
• Resonante Tunneldiode (RTD):Quantenmechanische Effekte, die konventionelle Halbleiter abbauen, werden im RTD verwendet. Der Elektronenfluss durch einen ausreichend dünnen Isolator erfolgt durch die Wellennatur des Elektron-Teilchen-Wellen-Dualismus. Der RTD fungiert als Verstärker.
• Doppelschicht-Tunneltransistor (Deltt):Der Delt ist eine Transistorversion des RTD. Die Gate-Vorspannung steuert die Fähigkeit von Elektronen, durch einen dünnen Isolator von einem Quantentopf zum anderen (Source-Drain) zu tunneln.
• Quantenpunkttransistor:Ein Quantenpunkt, der eine Ladung halten kann, ist von einer dünnen Tunnelbarriere umgeben, die das Gate eines herkömmlichen FET ersetzt. Die Ladung auf dem Quantenpunkt steuert den Stromfluss von Source zu Drain.
• Spintronik:Elektronen haben zwei grundlegende Eigenschaften:Ladung und Spin. Herkömmliche elektronische Geräte steuern den Ladungsfluss und führen Energie ab. Spintronische Geräte manipulieren den Elektronenspin, einen sich ausbreitenden, nicht dissipativen Prozess.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Elektrische Leitung in Halbleitern Arbeitsblatt