УДК 621.3.049.77
РЫНДИН Е.А.

КВАНТОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ НА ОСНОВЕ GaAs/AlGaAs

Таганрогский государственный радиотехнический университет,
347928, Таганрог, ГСП-17А, пер. Некрасовский, 44,
тел.(8634)311584, e-mail: ryn@fep.tsure.ru

Получение и исследование структур с нанометровыми характери-
стическими размерами представляет одно из важнейших направлений ин-
тегральной электроники. Результатом сверхмалых размеров является кван-
тование энергии в областях наноструктур и их уникальные характеристики
[1]. Молекулярно-лучевая эпитаксия позволяет уменьшить вертикальные
размеры полупроводниковых слоев до 1 нм. В таких сверхтонких потенци-
альных ямах увеличение модуля разности высот потенциальных барьеров
может приводить не только к смещению энергетических уровней, но и к их
полному вытеснению из квантовой ямы. Причем при равенстве высот по-
тенциальных барьеров в квантовой яме любой ширины будет не менее од-
ного разрешенного уровня энергии [1]. На основе данного эффекта разра-
ботаны новые принципы построения квантовых транзисторов [2].
В данной работе разработаны структуры квантовых транзисторов с
различными передаточными характеристиками (нормально открытые,
нормально закрытые и с передаточными характеристиками -типа) на ос-
нове резких гетеропереходов GaAs/AlGaAs. Разработаны модели и полу-
чены результаты моделирования квантовых транзисторов путем численно-
го решения стационарного уравнения Шредингера (определение энергети-
ческого спектра электронов в квантовом канале методом пристрелки [3]) и
уравнений плотностей тока.
Структура и зонная диаграмма нормально открытого квантового
транзистора представлены на рис. 1. В данном транзисторе при нулевом
напряжении затвор-исток UG = 0 потенциальные барьеры равны (VGVB,
где VG - высота потенциального барьера затвор-канал; VB - высота потен-
циального барьера канал-подложка), в результате чего в потенциальной
яме при любой ее ширине W будет по крайней мере один разрешенный
уровень. При этом в канале будет присутствовать двухмерный электрон-
ный газ и транзистор будет открыт. При UG < 0 модуль разности |VG - VB|
увеличивается, разрешенные энергетические уровни вытесняются из кван-
товой
ямы
и
транзистор
закрывается
при
UG < -UTH, где UTH - пороговое напряжение.
Зонные диаграммы нормально закрытого квантового транзистора и
транзистора с характеристиками -типа приведены на рис. 2. Структура

1



данных разновидностей квантовых транзисторов аналогична структуре
нормально открытого транзистора (см. рис. 1), но при нулевом напряже-
нии затвор-исток для нормально закрытого транзистора выполняется усло-
вие VG > VB (см. рис. 2а), а для транзистора с характеристиками -типа
VG < VB (см. рис. 2б), что достигается изменением процентного содержания
алюминия и галлия в полупроводниковых слоях AlGaAs.


а
б
Рис. 1. Нормально открытый квантовый транзистор:
а - структура; б - зонная диаграмма



а
б
Рис. 2. Зонные диаграммы квантовых транзисторов:
а - нормально закрытого; б - с характеристиками -типа

В нормально закрытом квантовом транзисторе модуль разности
|UG - UB| определяет отсутствие энергетических уровней в канале при
0 ≤ UG UTH. При UG > UTH модуль разности |UG - UB| уменьшается и барь-
ер затвор-канал становится треугольным, в результате чего в канале появ-
ляются энергетические уровни и транзистор открывается.
В транзисторе с характеристиками -типа модуль разности
|UG - UB| определяет отсутствие энергетических уровней в канале при
-UTH1 ≤ UG ≤ 0. При -UTH2 < UG < -UTH1 модуль разности |UG - UB| умень-

2



шается, в результате чего в канале появляются энергетические уровни и
транзистор открывается. При UG < -UTH2 модуль разности |UG - UB| вновь
увеличивается, энергетические уровни вытесняются из квантовой ямы и
транзистор закрывается.
Зависимость числа энергетических уровней в канале и передаточ-
ные характеристики нормально открытого квантового транзистора, полу-
ченные в результате численного моделирования, приведены на рис. 3, 4.



а
б
Рис. 3. Результаты моделирования нормально открытого квантового
транзистора: а - число энергетических уровней в канале; б - передаточные
характеристики (UD - напряжение сток-исток)

Рассмотренные квантовые транзисторы, обладая различными харак-
теристиками, имеют незначительные конструктивно-технологические осо-
бенности, что определяет их технологическую совместимость на кристалле
и позволит разрабатывать интегральные элементы СБИС с использованием
всех имеющихся вариантов транзисторов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства обра-
зования Российской Федерации в рамках проекта 208.02.01.005 и грантов
PD02-2.7-65, T02-02.2-810.

1. Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектро-
ники. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. - 332 с.
2. Рындин Е.А. Интегральный транзистор на основе эффекта размерного
квантования энергии // Известия ТРТУ. 2004. 1. С. 120 - 121.
3. Поршнев С.В. Моделирование квантовых систем в пакете MATLAB //
Научно-практический журнал Exponenta.Pro. Математика в приложе-
ниях. - 2004. 3. URL:http://www.exponenta.ru.


3