X. K. Aripov, A. M. Abdullayev, N. B. Alim ova, X. X. Bustano V, ye. V. Obyedkov, sh. T. Toshm atov
Download 11.08 Mb. Pdf ko'rish
|
|
13.2. Nanoelektronika asboblari Elektron qurilm alar 1958-yilda mikroelektron integral ko‘rinishda- IM Slar ko‘rinishida yaratilgandan boshlab m ikroelektronika davri boshlandi. Bunda «mikro» qo‘shimchasi tranzistorlar oMchamlari sezilarli darajada kichiklashganini anglatar edi. A slida esa IM Slar mikroolam obyektlari - atom va m olekulalarga nisbatan «makro- asbob»ligicha qolaverdi. M ikrosxemalami ikkita afzalligi: narxi arzonligi va yuqori tezkor- likka egaligi bor edi. Ikkala afzallik ham m iniatyurizatsiya (oMchamlami kichiklashtirish) natijasi edi. M ikroelektronikaning keyingi rivoji tranzistorlar oich am larin i uzluksiz kichiklashuvi bilan bogMiq. 1999-yildan boshlab fazoviy koordinatalam ing biri bo‘ylab tranzistom ing oMchami bir necha o ‘n nm ga (1 nm =10'9 m) kamaydi, y a’ni mikroelektronika o ‘m iga nanoelektronika keldi. T a’riflam ing bittasiga m uvofiq
oMchamlari 0,1-^100 nm gacha boMgan yarimoMkazgich tuzilm alar elektronikasidir. M ikro va nanoelektronika asboblarida axborot signallar va energiyani o ‘zgartirish jarayonlari elektronlar harakati hisobiga yoki ulam ing bevosita qatnashishi hisobiga am alga oshadi. M a’lumki, elektronlar va boshqa m ikrozarrachalar harakati nazariyasi boMib kvant mexanikasi xizm at qiladi. K vant mexanikasi qonunlariga muvofiq elektron zarracha boMaturib, toMqinga o ‘xshaydi. Lekin m ikroelektro nika asboblarda elektronning toMqin tabiatidan kelib chiqadigan kvant effektlar shunchalik kichikki, elektronning harakati klassik m exanika qonunlari chegarasida ifodalanadi. Elektronlam ing toMqin tabiatidan kelib chiquvchi fizik hodisalar o ‘zlarini nanoelektronika asboblarida toMiq nam oyon etadi. Bunday hodisalarga oMchamli kvantlash, elektron toMqinlar interferensiyasi, potensial to ‘siqlar (baryerlar) orqali tunnellashuv kiradi. K vant mexani- kasiga muvofiq s tezlik bilan harakatlanayotgan
massali zarrachalar bilan
tarqalishi bogMiq. De Broyl toMqinlarining uzunligi quyidagi form ula yordam ida topiladi: Masalan, bir volt tezlatuvchi potensial ta ’sirida boMgan elektron toMqin uzunligi 12,25-1 O'8 sm li toMqin bilan xarakterlanadi. Elektron 352
tezligi qanchalik katta bo‘lsa, uni xarakterlovchi toMqin shunchalik kichik boMadi. Elektron harakatlanishi davom ida kristall panjara bilan to ‘qnashadi. T o‘qnashishlar orasidagi r 0 vaqt davom ida u toMqin uzunligi Ax = 5r0 boMgan de Broyl toMqinlarini uzluksiz tarqatadi (13.6- rasm). Bu yerda, 5 - elektronning o ‘rtacha tezligi. O datda Ax oraliqda bir necha o ‘n X yotadi. Shuning uchun zarra koordinatasi Ax aniqlikda topilishi m umkin (Geyzenberg noaniqligi). Bunda uning berilgan joyda aniqlanish ehtimolligi haqidagina so‘z yuritish mumkin.
z JC
13.6-rasm. Uzilgan sinusoida. Elem entar zarrachalar harakatining toMqin nazariyasini E. Shredin- ger yaratdi. Ushbu nazariyaga muvofiq bir oMchamli holatda
energi- yali m ikrozarrachaning
potensial energiyali maydondagi harakati Shredinger tenglamasi bilan ifodalanadi f ! £ +£ S V - u v = o . (13.2)
Bu yerda, U - koordinatalar va vaqtga bogMiq funksiya, u teskari ishora bilan olingan kuchlanganlik maydoni potensialiga teng,
-
zarrachaning toMiq energiyasi. Shredinger tenglamasi psi - funksiyani, y a’ni alohida olingan elektron fazoning turli nuqtalarida boMish ehtim olligini aniqlash imkonini beradi. Psi - funksiya nanoelement- lam ing asosiy xarakteristikasidir. U bogMangan tizimlar, y a’ni zarracha- lari m a’lum chegaradan chiqmaydigan (atomdagi yoki kristalldagi elektronlar) tizim lam ing statsionar holati haqida toMiq m a’lumotga ega. M asalan, (13.2) tenglam a va psi - funksiyaga qo‘yiladigan shartlardan energiyaning kvantlanish qoidalari bevosita kelib chiqadi. BogMangan tizim lam ing statsionar holati faqat
energiyalam ing m a’lum qiym atlaridagina m xsat etilar ekan. Ruxsat etilgan
energiyalar 353
to ‘plami uzlukli (kvantlangan) spektr hosil qiladi. Q attiq jism da ruxsat etilgan energiyalam ing ikkita zonasi - o ‘tkazuvchanlik va valent zonalarini esga oling. Qattiq
jism da harakatlanayotgan elektron qanday
diskret qiym atlarga ega bo‘lishi mumkinligini ko‘rib chiqamiz. M a’lumki, elektronlar oddiy sharoitda kristalldan chiqib ketolmaydi. Demak, elektronlar potensial chuqurda joylashgan va ular harakati kristall oMchamlari bilan
(chegaralangan). Soddalashtirish uchun chuqurlik cheksiz baland va tik potensial to ‘siqlar bilan chegaralangan, elektron esa faqat Ox o ‘q bo‘ylab harakatlanishi mumkin deb qaraymiz (13.7-rasm). 0 < x < 1 sohada elektron erkin harakat qila oladi, lekin chegaradan chiqa olmaydi. Elektronning bunday harakati bir oMchamli potensial chuqurdagi harakat yoki
harakat deb atalishi qabul qilingan. И'
13.7-rasm.
kenglikka ega kvant chuqurlik. Elektronning harakati de Broyl toMqin tarqatish bilan amalga oshadi. ToMqin chuqurlik devorlaridan qaytadi ham da tushuvchi va qaytuvchi toMqinlar interferensiyasi hisobiga turg‘un toMqinlar hosil boMadi. Bunda L uzunlikda butun son yarim toHqinlar joylashishi kerak n i . = i („=1,2,3...) . (13.3) Elektron tezligi &n =h/(mAn) = nh/(2mL) ifoda bilan aniqlanadi. K o‘rinib turibdiki, toMqin uzunligi ham, elektron tezligi ham kvant langan. Potensial chuqurga «bekilgan» elektronning toMqin energiyasi Wn kvantlangan va quyidagi tenglam a bilan aniqlanadi: 354
bu yerda W 0 - asosiy holat energiyasi, hech qanday o ‘ta past tem peraturalarda nolga aylanmaydi va odatda 0,02 0,2 eV. Energetik sathlar (13.4) formuladan zz=l,2,3... qiym atlam i qo‘ygan holda topiladi. Ikkita qo‘shni sathlar orasidagi masofa ga teng va kvant soni
ning ortishi bilan ortib boradi, zarracha m assasiga va chuqur kengligi
ga bog‘liq. (13.5) formuladan hatto chiziqli o ‘lchamlari taxm inan 10 mkm bo‘lgan mikroskopik kristallarda ham sathlar orasidagi m asofa AW=\0 ' 12 eVdan oshmasligi chiqadi. Bu harakatlanayotgan elektron energiyasi am alda uzluksiz o ‘zgarishini anglatadi. A gar elektron harakati 10"8 sm o ‘lcham bilan chegaralangan boMsa, mutlaqo boshqa natija kuzatiladi. Bu holda
eV,
energetik sathlar diskretligi ju d a sezilarli. Shunday qilib, yarim o‘tkazgich asbob o ‘Ichamlaridan biri de Broyl to ‘lqin uzunligiga yaqinlashganda o ‘lchamli kvantlash sodir boMadi. Elektron energiyasining kvantlanishi lokallashuv effekti deb ataladi. A gar lokallashuv bitta y o ‘nalish bilan chegaralangan bo‘lsa, bunday nanotuzilm a kvant chuqurligi deb ataladi. Ikki yo‘nalishda lokallashgan nanotuzilm a kvant
yoki
ip deb, barcha uch yo‘nalishda lokallash- ganlari - kvant
deb ataladi. 13.8-rasm shunday tuzilmalar to ‘g ‘risida tasavvur beradi. (13.5)
a) b) r 13.8-rasm. N anotuzilm alarga misollar: kvant chuqurlik (a), sim (b) i nuqta (d). Interferensiya effektlari (hodisalari). T o ‘lqin interferensiyasi deb toMqinlar ustam a-ust tushganda fazoning nuqtalarida ulam ing o ‘zaro kuchayishi boshqa nuqtalarida esa - susayishi kuzatiladigan hodisaga aytiladi. Eng sodda holda
ikkita bir-biriga teskari tom onlarga tarqalayotgan toMqin lam ing ustm a-ust tushishi natijasida, agar chastotalari, amplitudalari va tebranish yo‘nalishlari bir xil boMsa, hosil boMadi.
N anoelektron asbob m ikroelektron asboblardagi p- n oMishlarga o ‘xshab potensial chuqurlar va potensial to ‘siqlardan tashkil topadi. Elektron chapdan o‘ngga harakatlanadi va yoMida
balandlik va L kenglikka ega boMgan potensial to ‘siqqa ro‘para keladi deb faraz qilaylik (13.9 - rasm). A gar elektronning toMiq energiyasi W < U 0 boMsa, klassika nuqtayi nazaridan, u baryer sohasi II ga kira olmaydi, chunki u yerda uning kinetik energiyasi W^n =
W - U m anfiy boMib qoladi, bunday boMishi esa m um kin em as. Lekin elektronning toMqin tabiati e ’tiborga olinsa, u toMqindek, energiyasini yo‘qotsa ham I sohadan III sohaga oMishi m um kin. Tunnelashuv ehtimolligi Shredinger tenglam asidan topiladi va e x p t - i o * e k a s p o n e n t a bilan xarakterlanadi.
ning qiymati 10 nm atrofida va undan kichik boMganida ushbu ehtim ollik bilan hisoblashish kerak. Potensial to ‘siqni yengib oMishda elektron baryerdagi tunnel dan oMgandek boMadi, shuning uchun bu hodisa
deb ataladi. 13.9-rasm. Potensial to‘siq. OMchamli kvantlanish tunnellashuvga ham o ‘ziga xoslik baxsh etadi. Bir y o ‘nalishda davriy joylashgan ju d a yupqa (1+10 nm ) potensial chuqurlardan tashkil topgan nanotuzilm alarda tunnelashuv rezonans xarakterga ega boMadi. Bunday tuzilm alar o ‘ta panjara deb ataladi. Bunda ikkita shart baj an lishi kerak. Birinchidan, potensial chuqurlar 356
kengligi elektronlarning erkin yugurish yo‘lidan kichik bo‘lm og‘i, lekin kristall panjara doim iysidan katta bo‘lm og‘i kerak. Ikkinchidan, bir potensial chuqum ing asosiy holati keyingisining uyg‘otilgan holati bilan bir xil b o im o g ‘i kerak. Ushbu efFekt de Broyl to‘lqinlarining interferensiyasi bilan bog‘liq.
IM Slaming, shu jum ladan, m ikroprosessorlar va xotira m ikrosxem alarining asosiy aktiv elementi bo‘lib kremniyli M D Y a - tranzistorlar xizmat qiladi. M DYa - tranzistorlar «dielektrik sirtiga kremniy olish» (DSKO) texnologiyasi bo‘yicha tayyorlanadi. Bunda tuzilm aning mexanik mustahkamligini ta ’m inlovchi, yetarlicha qalin kremniyli asos sirtiga kislorod ionlari im plantatsiya qilinadi, natijada sirtdan m a ’lum chuqurlikkacha kirib borgan ionlar chuqurlashgan dielektrik qatlamni hosil qiladi. Shundan keyin m olekular - nurli epitaksiya (M NE) yordamida asosning dielektrikli tom oni
sirtiga berilgan o ‘tkazuvchanlik turiga ega yarim o‘tkazgichning kristall tuzilishli mukammal monokristall qatlami o ‘stiriladi. M NE qalinligi bir necha kristall panjara davri qalinligiga ega qatlam olish imkonini beradi (bir davr 2A ga yaqin). M onokristall qatlam qalinligi N - tranzistor kanali qalinligi bilan aniqlanadi. Keyin yuqori ajratuvchanlikka ega litografiya yordam ida nanotranzistor kanali hosil qilinadi. Kanal S i0 2 sirtida joylashgan qalin brusok shakliga ega boMadi. D ielektrik qatlam yupqalashtirilgani sababli u orqali oquvchi sizilish toki (tunnel tok) tranzistorlam i mikrominiatyurlashda katta to ‘siq bo‘lib turibdi. Am aliy natijalar bilan tasdiqlangan nazariy baholashlam ing ko‘rsatishiga qaraganda, kremiyli M D Y a - tranzistor kanali uzunligi 6 nm gacha, S i0 2 qatlam qalinligi 1,2 nm gacha kam aytirilganda «ochiq-berk» holatlar toklari nisbatini 108 tartibda saqlangan holda xarakteristikaning yuqori tikligiga ega bo‘ladi. S i0 2 qatlam qalinligi yana ham yupqalashtirilganda sizilish toki ortib ketishi hisobiga tranzistom i boshqarish imkoniyati yo‘qoladi. Noqulay holatdan qutilish uchun dielektrik singdiruvchanligi yuqoriroq (high- к ) boshqa dielektrikdan foydalanish zam r bo‘ladi. Bunday material sifatida A120 3, Z r 0 2, Н Ю 2 va boshqalar xizmat qildi. N atijada sizilish tokini o ‘n martadan ortiqroq kam aytirishga erishildi. Yangi dielektrik nanotranzistorlarda 2007-yildan qoMlanila boshladi. Ushbu yutuqni G. M ur «60-yillardan buyon tranzistorlar texnologiyasida eng m uhim o‘zgarish» deb atadi. Lekin yangi dielektrik polikremniyli zatvor bilan «chiqishmadi». Bu yuqori tezkorlikka erishishga qarshilik qildi. Shuning uchun zatvor 357
materialini ham o ‘zgartirishga to ‘g ‘ri keldi. Bu m aterial tarkibi hozirgacha Intel korporatsiyasi tom onidan sir saqlanib kelinm oqda. Zatvor uzunligi 20 nmni tashkil etuvchi yangi tranzistor ochilishi va berkilishi uchun 30 % kam energiya talab etiladi, m ikroprosessorlar esa 109 ta atrofidagi tranzistorlarga ega va 20 Gs chastotada 1 Vdan kichik kuchlanishlarda ishlaydi. DSKO texnologiya AM D v a Intel kom pa- niyalari tomonidan yoppasiga ishlab chiqarilayotgan zam onaviy Pentium va Athlon seriyali m ikroprosessorlarda qoMlanilmoqda. Zam onaviy kremniyli M D Y a - nanotranzistorlar konstruksiyasi standart M DYa - m ikrotranzistorlardan zatvor turi bilan ham farq qiladi. Zatvorlam ing asosiy turlari: a) bir zatvorli planar; b) ikki zatvorli «baliq suzgichli» (adabiyotlarda FitFET deb nomlanadi); d) uch zatvorli. DSKO texnologiya asosida yaratilgan kremniyli uch zatvorli nanotranzistor konstruksiyasi 13.10-rasmda ko‘rsatilgan. Kanal uch tom ondan zatvorosti dielektrik qatlam bilan o ‘ralgan. U ning nomi shundan kelib chiqadi. Shunday qilib, kremniyli M D Y a - tranzistorlar tezkorligi zatvor materiali va zatvorosti dielektrik turi o ‘zgartirilgandan keyin kanal uzunligini kam aytirish hisobiga oshiriladi. M DYa - tranzistorlam ing tezkorligi uning xarakteristika tikligi S bilan aniqlanishi m a’lum. U chegaraviy chastota fc h E G bilan quyidagi ifoda orqali bog‘langan = _L_s_. (13.6)
Bu yerda, Czi - istokka nisbatan metall zatvor sig‘imi. X arakteristika tikligi (6.22) ga muvofiq
bu yerda, /jn- elektronlarning kanaldagi harakatchanligi; Co - dielektrikning solishtirm a sig‘imi; Uz, - zatvor va istok orasidagi kuchlanish; UBs - bo‘sag ‘aviy kuchlanish; L, В - mos ravishda kanal uzunligi va kengligi. (13.7) formulaga m uvofiq xarakteristika tikligi va mos ravishda tranzistor tezkorligini oshirishning ikkinchi yo‘li kanalda zaryad
tashuvchilar harakatchanligini oshirish bilan bog‘liq. Asbobning n - kanalida elektr toki elektronlarning b o ‘ylam a elektr maydondagi drey f harakati hisobiga hosil bo‘ladi. Elektronlar ham katlanganda yarim o‘tkazgichning tebranm a harakat qilayotgan 358
atom lari (fononlari), kiritm alar ionlari va kristall panjara nuqsonlari bilan to ‘qnashadilar, ya’ni sochiladilar. D reyf harakatning o ‘rtacha tezligi So/itezlanishni to ‘qnashuvlar orasidagi o ‘rtacha vaqt r0ga k o ‘paytirilganiga teng: 5 n, = 2 5 . £ = A£ . (13.8)
m 1 V 5 } 1
1 1
1 I --------------1------- 1— 1------- 1-------------- I I I I ------------------- r — 1 1 1 1
— 1— 1 -------
1 1 1 1 1 1 stok ' zatvor — — y- istok 13.10-rasm. Uch zatvorli kremniyli nanotranzistor. 1 - kremniyli asos; 2 - chuqurlashgan S i0 2 qatlam; 3 - kanal; 4 - zatvorosti dielektrik (high-k); 5 - metall zatvor. Elektronlar (kovaklar) harakatchanligi fonolardagi /// » ( m , )-5/2r - 3/2 (13.9) va kiritm alar ionlaridagi M, «(m*)_1/2A7“,7,_3/2, (13.10) sochilish bilan chegaralanadi. Bu yerda m" - erkin zaryad tashuvchining kristalldagi effektiv massasi,
ionlashgan kiritmalar konsentratsiyasi. N atijaviy harakatchanlik/y=I — + 2 . . VA A j
359 (13.9) va (13.10) formulalardan m aydoniy tranzistor tezkorligi kanalni kichik effektiv m assali zaryad tashuvchilarga ega bo‘lgan m aterialdan hosil qilib yoki legirlovchi kiritm alar konsentratsiyasini kam aytirib (kiritm alar ionlarida sochilishni butunlay y o ‘qotib) oshirish mumkin. Buni geteroo‘tishli nanotuzilm alarda am alga oshirish qulay.
Y arim o‘t- kazgich geterotuzilm alar eng yuqori chastotali tranzistorlar, lazerlar ham da inegral sxem alar (chiplar) yaratishning asosi bo‘ldilar. G eteroo‘tish deb taqiqlangan zonalari kengligi bir-birinikidan farq qiluvchi yarim o‘tkazgichlar hosil qilgan o ‘tishlarga aytiladi. Getero- o ‘tishlar m onokristall va polikristall m ateriallar orasida hosil qilinishi mumkin. Ular, shuningdek, anizotip (p-n - geteroo‘tishlar) va izotip (p- p- va
n-n- geteroo‘tishlar) bo‘lishi mumkin. G eteroo‘tishlar geterotuzil- mam hosil qiladi. 13.11-rasmda keng taqiqlangan zonaga ega w-AlxGai.xAs va nisbatan to r taqiqlangan zonaga ega />G aA s lam ing (a) va ular orasida hosil qilingan geteroo‘tishning energetik diagrammasi (b) keltirilgan.
AlxGai.xAs ning taqiqlangan zonasi kengiligi qattiq eritm a tarkibidagi alyum iniyning m olyar m iqdoriga bog‘liq va 1,43
2,16 eV oraliqda (A lA s birikm aning taqiqlangan zonasi k e n g lig i) o ‘zgarishi m umkin. a)
%- zi
z2 \ a 2 И&
■tfv b)
kanal ko\'aklar ^ 13.11-rasm. M-AlxGa,.xAs va />-GaAs yarim o‘tkazgichlam ing (a) va p-n geteroo‘tishning zonalar energetik diagram malarining tuzilishi (b). 360
Bu yerda vakuumdagi elektron energiyasi nol sath sifatida qabul qilingan. x ~ kattalik elektronning yarim o‘tkazgichdan vakuumga asl chiqish ishi. Termodinamik chiqish ishi A deb belgilangan. Yarim o‘tkazgichiar kontaktga keltirilganda ulam ing Fermi sathlari W f
bir xil bo‘ladi. > z 2 bo‘lgani uchun n - sohaning chegaradosh qismidan
sohadan kelgan elektronlarga nisbatan, ko‘proq elektronlar narigi sohaga o‘tadi. Taqiqlangan zonasi kengiligi katta yarim o‘tkazgichning chegara dosh qismi elektronlar bilan kam bag‘allashadi, unda musbat fazoviy zaryad hosil bo‘ladi, energetik zonalar cheti yuqori ga egiladi. Nisbatan tor zonal i yari m o1 tkazgichning chegaradosh qismi elektronlar bilan boyiydi, bu elektronlar manfiy fazoviy zaryad (kanal) hosil qiladi va zonalar cheti pastga egiladi. v a*, kattaliklar qiymatlari turlicha, shuning uchun yarim o‘tkazgichlar chegarasida o ‘tkazuvchanlik zonalari orasida
tsW c va valent zonalari orasida IsWy uzilishlar hosil bo‘ladi. 0 ‘tkazuvchanlik zonasida uzilish qiymati
§a teng- Valent zonada esa uzilish qiym atiga kontaktlashuvchi yarim o‘tkazgichlar taqiqlangan zonalari farqi qo‘shiladi. Shuning uchun elektron va kovaklarda potensial to‘siqlar balandligi har xil b o ia d i. Ko‘rib chiqilayotgan holda kovaklar uchun to‘siq katta. T o‘g ‘ri yo‘nalishda kuchlanish berilganda elektronlar uchun bo‘lgan potensial to ‘siq kamayadi va elektronlar n - yarim o‘tkazgichdan p -
yarim o‘tkazgichga injeksiyalanadi. Kovaklam ing potensial to ‘sig‘i ham kamayadi, lekin u kattaligicha qoladi va - yarim o6tkazgichdan n
- yarim o‘tkazgichga am alda injeksiya bo‘lmaydi. Shunday qilib, geteroo‘tishlarda bir tomon/ama injeksiya rejimi am alga oshadi. Agar keng zonali yarim o6tkazgich / ? - turli bo6lsa, to 6siq balandligi elektronlar uchun katta bo‘ladi.
a) b)
Download 11.08 Mb. Do'stlaringiz bilan baham: 
|