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# 2.14: Dispositivos cuánticos

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Se tendrá que aplicar fotolitografía mejorada a otros transistores que no sean los convencionales, dimensiones (menores de 20 a 30 nm). Las corrientes de fuga MOS objetivas se deben a efectos mecánicos cuánticos: tunelización de electrones a través del óxido de puerta y el canal estrecho. En resumen, los efectos mecánicos cuánticos son un obstáculo para los transistores MOS convencionales cada vez más pequeños. El camino hacia dispositivos de geometría cada vez más pequeños implica dispositivos activos únicos que hacen uso práctico de los principios mecánicos cuánticos. A medida que la geometría física se vuelve muy pequeña, los electrones pueden ser tratados como el equivalente mecánico cuántico: una onda. Los dispositivos que hacen uso de principios mecánicos cuánticos incluyen diodos de tunelización resonante, transistores de tunelización cuántica, diodos metálicos aislantes metálicos y transistores de puntos cuánticos.

Tunelización cuántica: es el paso de electrones a través de una barrera aislante que es delgada comparada con la longitud de onda electrónica de Broglie (aquí). Si la “onda electrónica” es grande en comparación con la barrera, existe la posibilidad de que la onda aparezca en ambos lados de la barrera.

Vista clásica de un electrón superando una barrera, o no. La vista mecánica cuántica permite que un electrón atraviese una barrera. La probabilidad (verde) está relacionada con el espesor de la barrera. Después de la Figura 1

En la física clásica, un electrón debe tener suficiente energía para superar una barrera. De lo contrario, se retrae de la barrera. (Figura anterior) La mecánica cuántica permite una probabilidad de que el electrón esté en el otro lado de la barrera. Si se trata como una onda, el electrón puede parecer bastante grande en comparación con el grosor de la barrera. Incluso cuando se trata como una ola, solo hay una pequeña probabilidad de que se encuentre al otro lado de una barrera gruesa. Ver porción verde de la curva, Figura anterior. El adelgazamiento de la barrera aumenta la probabilidad de que el electrón se encuentre en el otro lado de la barrera.

Diodo túnel: El término no calificado diodo túnel se refiere al diodo túnel esaki, un dispositivo cuántico temprano. Un diodo polarizado inverso forma una región de agotamiento, una región aislante, entre el ánodo conductor y el cátodo. Esta región de agotamiento es solo delgada en comparación con la longitud de onda de los electrones cuando está fuertemente dopada, 1000 veces el dopado de un diodo rectificador. Con la polarización adecuada, es posible la tunelización cuántica. Ver CH 3 para más detalles.

RTD, diodo de tunelización resonante: Este es un dispositivo cuántico que no debe confundirse con el diodo túnel Esaki, CH 3, un semiconductor bipolar convencional fuertemente dopado. Los electrones atraviesan dos barreras separadas por un pozo en la fuente de flujo para drenar en un diodo de tunelización resonante. La tunelización también se conoce como túnel mecánico cuántico. El flujo de electrones es controlado por polarización de diodo. Esto hace coincidir los niveles de energía de los electrones en la fuente con el nivel cuantificado en el pozo para que los electrones puedan hacer un túnel a través de las barreras. El nivel de energía en el pozo se cuantifica porque el pozo es pequeño. Cuando los niveles de energía son iguales, se produce una resonancia, permitiendo el flujo de electrones a través de las barreras como se muestra en la Figura a continuación (b). Sin sesgo o sesgo excesivo, en las Figuras siguientes (a) y (c) respectivamente, produce un desajuste de energía entre la fuente y el pozo, y no hay conducción.

Diodo de tunelización resonante (RTD): (a) Sin polarización, fuente y niveles de energía del pozo no coincidentes, sin conducción. (b) El sesgo pequeño causa niveles de energía coincidentes (resonancia); resultados de conducción. c) Más desajustes de sesgo en los niveles de energía, disminuyendo la conducción.

A medida que el sesgo se incrementa desde cero a través del RTD, la corriente aumenta y luego disminuye, correspondiendo a los estados apagado, encendido y apagado. Esto hace posible la simplificación de los circuitos de transistores convencionales sustituyendo dos transistores por un par de RTD. Por ejemplo, dos RTD consecutivas y un transistor forman una celda de memoria, usando menos componentes, menos área y potencia en comparación con un circuito convencional. La aplicación potencial de RTD es reducir el recuento de componentes, el área y la disipación de potencia de los circuitos de transistores convencionales reemplazando algunos, aunque no todos, los transistores. Se ha demostrado que los RTD oscilan hasta 712 GHz.

El transistor de tunelización de doble capa (Deltt) está compuesto por dos pozos que contienen electrones separados por una barrera no conductora. Los voltajes de la puerta se pueden ajustar para que la energía y el momento de los electrones en los pozos sean iguales, lo que permite que los electrones atraviesen la barrera no conductora. (Los niveles de energía se muestran como desiguales en el diagrama de barrera).

Si la polarización de la puerta aumenta más allá de lo requerido para la tunelización, los niveles de energía en los pozos cuánticos ya no coinciden, la tunelización se inhibe, la corriente de fuente a drenaje disminuye. En resumen, aumentar el sesgo de puerta desde cero da como resultado condiciones de encendido, apagado y encendido. Esto permite que un par de Deltt se apilen a la manera de un par complementario CMOS; sin embargo, no se requieren diferentes transistores de tipo p y n. El voltaje de la fuente de alimentación es aproximadamente 100 mV. Se han producido Deltt experimentales que operan cerca de 4.2 K, 77 K y 0 o C. Se esperan versiones a temperatura ambiente.

Diodo MIIM: El diodo metal-aislador-aislador-metal (MIIM) es un dispositivo de tunelización cuántica, no basado en semiconductores. Consulte la figura “sección de diodos MIIM” a continuación. Las capas aislantes deben ser delgadas comparadas con la longitud de onda del electrón de Broglie (aquí), para que la tunelización cuántica sea posible. Para la acción del diodo, debe haber una dirección de tunelización preferida, lo que resulta en una curva pronunciada en la curva característica hacia adelante del diodo. El diodo MIIM tiene una curva hacia adelante más nítida que el diodo de metal aislante metálico (MIM), no considerado aquí.

Aislador metálico aislante metal (MIIM) diodo: Sección transversal del diodo. Niveles de energía para no sesgo, sesgo directo y sesgo inverso. Después de la Figura 1

Los niveles de energía de M1 y M2 son iguales en “sin sesgo” Figura anterior. Sin embargo, los electrones (térmicos) no pueden fluir debido a las altas barreras I1 e I2. Los electrones en el metal M2 tienen un mayor nivel de energía en “polarización inversa” Figura anterior, pero aún no pueden superar la barrera aislante. A medida que aumenta el “sesgo directo” de la Figura anterior, se forma entre los aisladores un pozo cuántico, un área donde pueden existir electrones. Los electrones pueden pasar a través del aislador I1 si M1 se basa en el mismo nivel de energía que el pozo cuántico. Una explicación sencilla es que la distancia a través de los aisladores es más corta. Una explicación más larga es que a medida que aumenta el sesgo, aumenta la probabilidad de que la onda electrónica se superponga de M1 al pozo cuántico. Para una explicación más detallada ver Phiar Corp.

Los dispositivos MIIM funcionan a frecuencias más altas (3.7 ThZ) que los transistores de microondas. La adición de un tercer electrodo a un diodo MIIM produce un transistor.

Transistor de punto cuántico: Un conductor aislado puede tomar una carga, medida en culombios para objetos grandes. Para un conductor aislado a nanoescala conocido como punto cuántico, la carga se mide en electrones. Un punto cuántico de 1 a 3 nm puede tomar una carga incremental de un solo electrón. Esta es la base del transistor de punto cuántico, también conocido como transistor de un solo electrón.

Un punto cuántico colocado encima de un aislante delgado sobre una fuente rica en electrones se conoce como una sola caja de electrones. (Figura abajo (a)) La energía requerida para transferir un electrón está relacionada con el tamaño del punto y el número de electrones que ya están en el punto.

Un electrodo de puerta por encima del punto cuántico puede ajustar el nivel de energía del punto para que sea posible la tunelización mecánica cuántica de un electrón (como una onda) desde la fuente a través del aislante. (Figura abajo (b)) Así, un solo electrón puede hacer un túnel hacia el punto.

a) Caja de electrones simple, punto cuántico aislado separado de una fuente de electrones por un aislante. (b) La carga positiva en la puerta polariza el punto cuántico, tunelizando un electrón de la fuente al punto. (c) Transistor cuántico: el canal es reemplazado por punto cuántico rodeado por una barrera de tunelización.

Si el punto cuántico está rodeado por una barrera de túnel e incrustado entre la fuente y el drenaje de un FET convencional, como en la Figura anterior (c), la carga en el punto puede modular el flujo de electrones de fuente a drenaje. A medida que aumenta el voltaje de la puerta, la fuente para drenar la corriente aumenta, hasta un punto. Un aumento adicional en el voltaje de la puerta disminuye la corriente de drenaje. Esto es similar al comportamiento de los dispositivos resonantes RTD y Deltt. Solo se requiere un tipo de transistor para construir una puerta lógica complementaria.

Transistor de electrones simples: Si un par de conductores, superconductores o semiconductores están separados por un par de barreras de túnel (aislante), rodeando una pequeña isla conductora, como un punto cuántico, el flujo de una sola carga (un par Cooper para superconductores) puede ser controlado por una puerta. Este es un transistor de un solo electrón similar a la Figura anterior (c). Al aumentar la carga positiva en la puerta, se permite que un electrón haga un túnel a la isla. Si es suficientemente pequeña, la baja capacitancia hará que el potencial de punto aumente sustancialmente debido al electrón único. No más electrones pueden hacer un túnel a la isla debido a la carga de electrones. Esto se conoce en el bloqueo del culombo. El electrón que tunelizó a la isla, puede hacer un túnel hacia el desagüe.

Los transistores de un solo electrón operan cerca del cero absoluto. La excepción es el transistor de un solo electrón de grafeno, que tiene una isla de grafeno. Todos son dispositivos experimentales.

Transistor de grafeno: El grafito, un alótropo de carbono, no tiene la estructura cristalina rígida entrelazada del diamante. No obstante, tiene una estructura cristalina— de un átomo de espesor, una denominada estructura bidimensional. Un grafito es un cristal tridimensional. Sin embargo, se escinde en láminas delgadas. Los experimentadores, llevando esto al extremo, producen motas de tamaño micrón tan delgadas como un solo átomo conocido como grafeno. (Figura a continuación (a)) Estas membranas tienen propiedades electrónicas únicas. Altamente conductora, la conducción es por electrones o agujeros, sin dopaje de ningún tipo.

Las láminas de grafeno se pueden cortar en estructuras de transistores mediante técnicas litográficas. Los transistores tienen cierta semejanza con un MOSFET. Una puerta acoplada capacitivamente a un canal de grafeno controla la conducción.

Como los transistores de silicio escalan a tamaños más pequeños, la fuga aumenta junto con la disipación de potencia. Y se hacen más pequeños cada dos años. Los transistores de grafeno disipan poca potencia. Y, cambian a alta velocidad. El grafeno podría ser un reemplazo para el silicio algún día.

El grafeno se puede formar en dispositivos tan pequeños como sesenta átomos de ancho. Los puntos cuánticos de grafeno dentro de un transistor tan pequeño sirven como transistores de un solo electrón. Los transistores de electrones individuales anteriores fabricados a partir de superconductores o semiconductores convencionales operan cerca del cero absoluto. Los transistores de grafeno solo electrón funcionan de manera única a temperatura ambiente.

Los transistores de grafeno son curiosidades de laboratorio en este momento. Si van a entrar en producción dentro de dos décadas, se deben producir obleas de grafeno. El primer paso, la producción de grafeno por deposición química de vapor (CVD) se ha logrado a escala experimental. Sin embargo, no hay obleas disponibles hasta la fecha.

(a) Grafeno: Una sola lámina del alótropo de grafito de carbono. Los átomos están dispuestos en un patrón hexagonal con un carbono en cada intersección. (b) Nanotubo de carbono: Una lámina enrollada de grafeno.

Transistor de nanotubos de carbono: Si se enrolla una lámina 2-D de grafeno, la estructura 1-D resultante se conoce como nanotubo de carbono. (Figura anterior (b)) La razón para tratarlo como 1-dimensional es que es altamente conductivo. Los electrones atraviesan el nanotubo de carbono sin ser dispersados por una red cristalina. La resistencia en los metales normales es causada por la dispersión de electrones por la red cristalina metálica. Si los electrones evitan esta dispersión, se dice que la conducción es por transporte balístico. Se han producido nanotubos de carbono metálicos (de acción) y semiconductores.

Los transistores de efecto de campo pueden formarse a partir de nanotubos de carbono depositando contactos de fuente y drenaje en los extremos, y acoplando capacitivamente una puerta al nanotubo entre los contactos. Se han fabricado transistores de tipo p y n. ¿Por qué el interés en los transistores de nanotubos de carbono? Los semiconductores de nanotubos son más pequeños, rápidos y de menor potencia en comparación con los transistores de silicio.

Spintrónica: Los semiconductores convencionales controlan el flujo de carga electrónica, corriente. Los estados digitales están representados por el flujo de corriente “encendido” o “apagado”. A medida que los semiconductores se vuelven más densos con el paso a geometría más pequeña, la potencia que se debe disipar a medida que el calor aumenta hasta el punto que es difícil de eliminar. Los electrones tienen propiedades distintas a la carga como el espín. Una explicación tentativa del espín electrónico es la rotación de la carga electrónica distribuida alrededor del eje de espín, análoga a la rotación diurna de la Tierra. Los bucles de corriente creados por el movimiento de carga, forman un campo magnético. Sin embargo, el electrón se parece más a una carga puntual que a una carga distribuida, por lo tanto, la analogía de carga distribuida giratoria no es una explicación correcta del giro. El espín electrónico puede tener uno de dos estados: arriba o abajo que pueden representar estados digitales. Más precisamente, el número cuántico de espín (m s) puede ser ±1/2 el número cuántico de momento angular (l).

Controlar el espín de electrones en lugar del flujo de carga reduce considerablemente la disipación de energía y aumenta la velocidad La espintrónica, acrónimo de SPIN TransPort Electronics, no se aplica ampliamente debido a la dificultad de generar, controlar y detectar espín electrónico. Sin embargo, la memoria de espín magnético no volátil de alta densidad está en producción usando procesos semiconductores modificados. Esto está relacionado con el cabezal de lectura magnética de válvula de giro utilizado en las unidades de disco duro de computadora, que no se menciona más aquí.

En la Figura siguiente (a) se muestra una simple unión de túnel magnético (MTJ), que consiste en un par de capas ferromagnéticas, fuertes propiedades magnéticas como el hierro (Fe), separadas por un aislante delgado. Los electrones pueden hacer un túnel a través de un aislante suficientemente delgado debido a las propiedades mecánicas cuánticas de los electrones, la naturaleza de onda de los electrones. El flujo de corriente a través del MTJ es una función de la magnetización, polaridad de espín, de las capas ferromagnéticas. La resistencia del MTJ es baja si el giro magnético de la capa superior está en la misma dirección (polaridad) que la capa inferior. Si los giros magnéticos de las dos capas se oponen, la resistencia es mayor.

a) Unión magnética túnel (MTJ): Par de capas ferromagnéticas separadas por un aislante delgado. La resistencia varía con la polaridad de magnetización de la capa superior (b) El imán de polarización antiferromagnético y la capa ferromagnética inferior anclada aumenta la sensibilidad de resistencia a los cambios en la polaridad de la capa ferromagnética superior. Adaptado de la Figura 3.

El cambio en la resistencia se puede potenciar mediante la adición de un antiferroimán, material que tiene espines alineados pero opuestos, por debajo de la capa inferior de la Figura anterior (b). Este imán de polarización fija el giro de la capa ferromagnética inferior a una sola polaridad invariable. La magnetización de la capa superior (espín) se puede voltear para representar datos mediante la aplicación de un campo magnético externo no mostrado en la figura. La capa fija no se ve afectada por campos magnéticos externos. Nuevamente, la resistencia MTJ es la más baja cuando el giro de la capa ferromagnética superior tiene el mismo sentido que la capa ferromagnética anclada inferior.

La MTJ se puede mejorar aún más dividiendo la capa ferromagnética anclada en dos capas separadas por una capa tampón en la Figura a continuación (a). Esto aísla la capa superior. La capa ferromagnética inferior está anclada por el antiferroimán como en la figura anterior. La capa ferromagnética encima del tampón es atraída por la capa ferromagnética inferior. Los opuestos se atraen. Así, la polaridad de giro de la capa adicional es opuesta a la de la capa inferior debido a la atracción. Las capas ferromagnéticas inferior y media permanecen fijas. La capa ferromagnética superior puede ajustarse a cualquier polaridad de giro mediante altas corrientes en conductores próximos (no mostrados). Así es como se almacenan los datos. Los datos son leídos por la diferencia en el flujo de corriente a través de la unión del túnel. La resistencia es la más baja si las capas en ambos lados de la capa insultante son del mismo giro.

(a) La división de la capa ferromagnética anclada de (b) por una capa amortiguadora mejora la estabilidad y aísla la capa ferromagnética superior no anclada. Los datos se almacenan en la capa ferromagnética superior basada en la polaridad de espín (b) Célula MTJ incrustada en líneas de lectura de un troquel semiconductor, uno de los muchos MTJ. Adaptado de [IBM]

Una matriz de uniones de túnel magnéticas puede estar incrustada en una oblea de silicio con conductores que conectan los terminales superior e inferior para leer bits de datos de los MTJ con circuitos CMOS convencionales. Uno de estos MTJ se muestra en la Figura anterior (b) con los conductores de lectura. No se muestra, otra matriz cruzada de conductores que transportan corrientes de escritura pesadas conmuta el giro magnético de la capa ferromagnética superior para almacenar datos. Se aplica una corriente a uno de los muchos conductores “X” y un conductor “Y”. Un MTJ en la matriz se magnetiza bajo el cruce de los conductores. Los datos se leen detectando la corriente MTJ con circuitos semiconductores de silicio convencionales. [IBM]

La razón principal de interés en la memoria de unión de túnel magnético es que es no volátil. No pierde datos cuando se “apaga”. Otros tipos de memoria no volátil son capaces de ciclos de almacenamiento limitados. La memoria MTJ también es mayor velocidad que la mayoría de los tipos de memoria de semiconductores Ahora es (2006) un producto comercial. [TLE]

Ni un producto comercial, ni siquiera un dispositivo de laboratorio, es el transistor de giro teórico que algún día podría hacer posibles las puertas lógicas de giro. El transistor de espín es un derivado del diodo de giro teórico.

Se sabe desde hace algún tiempo que los electrones que fluyen a través de un ferroimán de cobalto-hierro se polarizan por espín. El ferroimán actúa como un filtro que pasa electrones de un giro preferentemente. Estos electrones pueden fluir hacia un conductor (o semiconductor) no magnético adyacente que retiene la polarización de espín por un corto tiempo, nano-segundos. Sin embargo, los electrones polarizados de espín pueden propagarse a una distancia considerable en comparación con las dimensiones de los Los electrones polarizados por espín pueden ser detectados por una capa ferromagnética de níquel-hierro adyacente al semiconductor.

También se ha demostrado que la polarización de espín electrónico ocurre cuando la luz polarizada circularmente ilumina algunos materiales semiconductores. Por lo tanto, debería ser posible inyectar electrones polarizados de espín en un diodo semiconductor o transistor. El interés en los transistores y puertas basados en espín se debe a la naturaleza no disipativa de la propagación de espín, en comparación con el flujo de carga disipativa. A medida que los semiconductores convencionales se reducen en tamaño, la disipación de potencia aumenta. En algún momento la reducción ya no será práctica. Los investigadores buscan un reemplazo para el transistor convencional basado en flujo de carga. Ese dispositivo puede estar basado en espintrónica. [RCJ]

## Revisar

• Como el óxido de puerta MOS se adelgaza con cada generación de transistores más pequeños, la fuga excesiva de la puerta causa una disipación de potencia y calentamiento inaceptables. El límite de reducción de la geometría de semiconductores convencionales está a la vista.
• Diodo de tunelización resonante (RTD): Los efectos mecánicos cuánticos, que degradan los semiconductores convencionales, se emplean en la RTD. El flujo de electrones a través de un aislante suficientemente delgado, es por la naturaleza de onda de la dualidad de onda electrón-partícula. El RTD funciona como amplificador.
• Transistor de túnel de doble capa (Deltt): El Deltt es una versión de transistor del RTD. El sesgo de puerta controla la capacidad de los electrones para hacer un túnel a través de un aislante delgado de un pozo cuántico a otro (fuente para drenar).
• Transistor de punto cuántico: Un punto cuántico, capaz de contener una carga, está rodeado por una delgada barrera de túnel que reemplaza la puerta de un FET convencional. La carga en el punto cuántico controla la fuente para drenar el flujo de corriente.
• Spintrónica: Los electrones tienen dos propiedades básicas: carga y espín. Los dispositivos electrónicos convencionales controlan el flujo de carga, disipando energía. Los dispositivos espintrónicos manipulan el espín electrónico, un proceso propagativo y no disipativo.

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