Закономерности переноса носителей заряда в низкоразмерных структурах и приборы на их основе презентация

Содержание

3.1.1. Интерференция электронных волн 3.1. Транспорт носителей заряда вдоль потенциальных барьеров W = ⎪ψ1 + ψ2⎪2 = A12 + A22 + 2A1*A2cos(φ1 - φ2) Фазовая интерференция (phase interference of electron waves)

Слайд 1
3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПЕРЕНОСА НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА
В НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУРАХ
И ПРИБОРЫ НА

ИХ ОСНОВЕ

Слайд 2
3.1.1. Интерференция электронных волн
3.1. Транспорт носителей заряда вдоль потенциальных барьеров
W = ⎪ψ1 +

ψ2⎪2 = A12 + A22 + 2A1*A2cos(φ1 - φ2)

Фазовая интерференция (phase interference of electron waves)

Эффект Ааронова-Бома (Aharonov‑Bohm effect)

Φ0 = h/e – the quantum of the magnetic flux

Y. Aharonov, D. Bohm, Significance of electromagnetic potentials in the quantum theory, Phys. Rev. 115(3), 485-491 (1959).

Δφ = 2π(Φ/Φ0)

http://www.physics.gatech.edu/davidovic/nano0_files/image002.jpg

Слайд 3
Экспериментальное наблюдение эффекта Ааронова-Бома
Φ0/2 = h/2e
Универсальная флуктуация проводимости
(universal conductance

fluctuations)

<Δσ2> ~ e2/h

Слайд 4
3.1.2. Вольт-амперные характеристики
низкоразмерных структур
Формализм Ландауэра-Бютикера (Landauer‑Büttiker formalism)
Ii = 2evi(dni/dE)Δμi


Ii = (2e/h)Δμi


R. Landauer, Spatial variation of currents and fields due to localized scatters in metallic conduction, IBM J. Res. Dev. 1(6), 223-231 (1957); M. Büttiker, Four-terminal phase-coherent conductance, Phys. Rev. Lett. 57(14), 1761-1764 (1986).

μi = eVi

Слайд 5
Отрицательное сопротивление изгиба
(negative bend resistance)
R14,23 = (V2 - V3)/I1
Rmn,kl = (h/e2)[TkmTln -

TknTlm]/D

R14,23 = (h/e2)[T21T34 - T24T31]/D


Слайд 6
Эффект Холла (Hall effect)
R = V/I
RH = VH/I
RH = B/(en)
E. H. Hall, On a new action

of the magnet on electric currents, Am. J. Math. 2, 287-292 (1879).

Слайд 7

3.1.3. Квантовый эффект Холла (quantum Hall effect )
i = 1, 2,

3, …
integer quantum Hall effect

RH = h/(ie2)

i = p/q p = 1, 2, … q = 3, 5, 7, …
fractional quantum Hall effect

Слайд 8
Hall resistance ρxy and longitudinal resistance ρxx
of 2DEG at 80

K (by R. L. Willett)

Слайд 9
Объяснение квантового эффекта Холла
The cyclotron frequency
ωc = eB/m
Landau levels
Ei = (i + ½)ħωc  i = 1, 2,

….

kBT << ħωc 

идеальная структура

разупорядоченная структура

Слайд 10
for the discovery of the quantized Hall effect
Klaus von Klitzing
(1943)
Max-Planck-Institut für Festkörperforschung

Stuttgart, Germany

The Nobel Prize in Physics, 1985

K. von Klitzing, G. Dorda, M. Pepper, New method for high-accuracy determination of the fine-structure constant based on quantized Hall resistance, Phys. Rev. Lett. 45(6), 494-497 (1980) – the integer quantum Hall effect

From the History of the Quantum Hall Effect

Слайд 11
for their discovery of a new form of quantum fluid with

fractionally charged excitations

The Nobel Prize in Physics, 1998

From the History of the Quantum Hall Effect

D. C. Tsui, H. L. Störmer, A. C. Gossard, Two-dimensional magnetotransport in the extreme quantum limit, Phys. Rev. Lett. 48(22), 1559-1562 (1982) and R. B. Laughlin, Anomalous quantum Hall effect: an incompressible quantum fluid with fractionally charged excitations, Phys. Rev. Lett. 50(18), 1395-1398 (1983) – the fractional quantum Hall effect

Robert B. Laughlin
(1950)
Stanford University Stanford, CA, USA

Horst L. Störmer
(1943)
Columbia University New York, NY, USA

Daniel C. Tsui
(1939)
Princeton University Princeton, NJ, USA

Слайд 12
3.1.4. Электронные приборы на интерференционном и баллистическом эффектах
Квантовый интерференционный транзистор
(quantum

interference transistor)

single mode

multi mode



Слайд 13
Молекулярный квантовый интерференционный транзистор
D. M. Cardamone, C. A. Stafford, S. Mazumdar, Controlling quantum transport through

a single molecule, NanoLett. 6(11) 2422-2426 (2006); C. A. Stafford, D. M. Cardamone, S. Mazumdar, Quantum interference effect transistor (QUIET), United States Patent Application 2007/0215861 (09/20/2007).

Слайд 14
Баллистический транзистор
(ballistic deflection transistor)
Q.Diduck, M.Margala, M.J.Feldman, A terahertz transistor

based on geometrical deflection of ballistic current, Microwave Symposium Digest (IEEE MTT-S International, 2006), pp. 345-347.
Q.Diduck, M.Margala, Ballistic deflection transistor and logic circuits based on same, US Patent 7 576 353 B2 (Published August 18, 2009).

Баллистический выпрямитель
(ballistic rectifier)

A.M.Song, A.Lorke, A.Kriele, J.P.Kotthaus, Nonlinear electron transport in an asymmetric Microjunction: a ballistic rectifier, Phys. Rev. Lett. 80(17) 3831-3834 (1998).

Слайд 15


3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПЕРЕНОСА НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА
В НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУРАХ
И ПРИБОРЫ НА

ИХ ОСНОВЕ

Слайд 16
Q = e/2
3.2.1.Одноэлектронное туннелирование
и электронные приборы на этом эффекте
3.2.

Транспорт носителей заряда через потенциальные барьеры

single electron tunneling

First theory:
K. K. Likharev, A. B. Zorin, Theory of Bloch‑wave oscillations in small Josephson junctions, J. Low Temp. Phys. 59(3/4), 347-382 (1985)
D. V. Averin, K. K. Likharev, Coulomb blockade of tunneling and coherent oscillations in small tunnel junctions, J. Low. Temp. Phys. 62(2), 345-372 (1986)

First experiment:
T. A. Fulton, G. J. Dolan, Observation of single-electron charging effects in small tunneling junctions, Phys. Rev. Lett. 59(1), 109-112 (1987)




Слайд 17

ΔE = e2/2C – eV
C = Ct + Ce
ΔE ≤ 0
|Vt| = e/2C
e2/2C

- Coulomb gap

Однобарьерная структура (single barrier structure)

f = I/e


kBT << e2/2C

Rt > h/e2

V

I

Rt=∂I/∂V

e/2C

-e/2C



Слайд 18

Двухбарьерная структура (double barrier structure)


ΔE = 1/2[(e/C + ΔVo)2C –ΔVo2C]
V ≥

C(e/2C + ΔVo)/CR

Coulomb staircase


V

I

e/2C

-e/2C

ΔV0


I

1

3

5

VC/e

N=0

-1

-2



C ≈ CR >> CL

C = CL + CR

Слайд 19
Сотуннелирование (co-tunneling)


упругое (elastic)
неупругое (inelastic)

Слайд 20




for n = const in the QD:
Одноэлектронный транзистор (single‑electron transistor )

Слайд 21
Характеристики одноэлектронного транзистора


Слайд 22


Одноэлектронный Ti транзистор
K.Matsumoto, M.Ishii, K.Segawa,Y.Oka, B.J.Vartanian, J.S.Harris, Room temperature operation

of a single electron transistor made by the scanning tunneling microscope nanooxidation process for the TiOx/Ti system, Appl. Phys. Lett. 68 (1), 34-36 (1996).

Слайд 23


www.ece.umd.edu/labs/ebl/
Одноэлектронный InAs транзистор
Первый Ge транзистор

Слайд 24



Одноэлектронная ловушка (single‑electron trap)






0
1
2
3
4
U=0
U>U+
U

Слайд 25

Одноэлектронная ячейка динамической памяти (single‑electron dynamic memory cell)



Слайд 26

Одноэлектронный турникет (single‑electron turnstile)



Одноэлектронный генератор накачки (single‑electron generator)

Слайд 27

Логические элементы (logic elements)



Слайд 28







E' = E + eV
3.2.2. Резонансное туннелирование
и электронные приборы на этом эффекте
(resonant tunneling)

Слайд 29

Резонансно-туннельный диод (resonant tunneling diode)






V
I
C
Depletion
approximation

V
L. Esaki, R. Tsu, Superlattice and negative differential

conductivity in semiconductors, IBM J. Res. Dev. 14(1), 61-65 (1970)

The Nobel Prize in Physics, 1973
for his experimental discoveries regarding tunneling phenomena in semiconductors

Слайд 30

Резонансно-туннельный транзистор
(resonant tunneling transistor (gated resonant tunneling diode))




V
I

Vg1
Vg2

Слайд 31


Логический элемент
(monostable‑bistable transition logic element – MOBILE)

















S
Vp
2Vp
Vbias
V
I

V
E
S

Vbias
V
I

S

V
E

S

Vbias
V
I


S1

S2

V
E

S1
S2

Слайд 32


3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПЕРЕНОСА НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА
В НИЗКОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУРАХ
И ПРИБОРЫ НА

ИХ ОСНОВЕ

Слайд 33

3.3. Спинтроника (spintronics)

область науки и техники, занимающаяся созданием, исследованием и применением

электронных приборов, в которых спин электрона наравне с его зарядом используется для обработки информации

Слайд 34



3.3.1. Гигантское магнитосопротивление
(giant magnetoresistance effect)
Протекание тока
в плоскости структуры


(current‑in‑plane – CIP)

Протекание тока
перпендикулярно
плоскости структуры
(current‑perpendicular‑
to‑plane – CPP)

Слайд 35
The Nobel Prize in Physics, 2007
From the History of the

Giant Magnetoresistance Effect

Albert Fert
(1938)
Université Paris-Sud
Orsay, France

Peter Grünberg
(1939)
Forschungszentrum Jülich Jülich, Germany

for the discovery of Giant Magnetoresistance

M. N. Baibich, J. M. Broto, A. Fert, F. N. Van Dau, F. Petroff, Giant magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr magnetic superlattices, Phys. Rev. Lett. 61(21), 2472-2475 (1988).
G. Binasch, P. Grünberg, F. Saurenbach, W. Zinn, Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange, Phys. Rev. B 39(7), 4828-4830 (1989).

Слайд 36



3.3.2. Спин‑контролируемое туннелирование
(tunneling magnetoresistance effect )





Co film
CoFe film
CoFe/Al2O3/Co
junction
Magnetic field

(Oe)

Magnetoresistance (%)


Слайд 37





расщепление
состояний
носителей заряда
по спинам
3.3.3. Управление спинами электронов в

полупроводниках


перенос
спин-поляризованных
носителей заряда

определение спина
носителей заряда


инжекция
носителей заряда
с определенным спином

Слайд 38



Расщепление состояний
носителей заряда по спинам
Эффект Зеемана
(Zeeman effect)
Эффект Рашбы
(Rashba effect)
ΔE

= gμBB

Hso = αs(σ×k) · z

ΔE = αsk



Магнитные материалы,
примеси

Слайд 39
Инжекция носителей заряда
с определенным спином

Слайд 40

Перенос спин-поляризованных носителей заряда
(механизмы спин-релаксации в полупроводниках)
Механизм Бира-Аронова-Пикуса
(Bir-Aronov-Pikus mechanism)


Механизм Эллиота-Яфета
(Elliot-Yafet mechanism)

Механизм Дьяконова-Перела
(D’yakonov-Perel mechanism)

Следствие обменного взаимодействия и рекомбинации электронов и дырок. Низкие Т,
р-полупроводники.

Следствие спин-орбитального рассеивания, при столкновении электронов с фононами или примесями. Низкие и умеренные Т.

Следствие спин-расщепления зоны проводимости. Повышенные Т.





сверхтонкое взаимодействие спинов электронов и спинов ядер (hyperfine interaction of the electron spins and nuclear spins)


Слайд 41

Определение спина носителей заряда

Слайд 42




Temperature
Resistance
super-
conductivity
Tc
TK
Квантовая точка в режиме Кондо
ρ = AT5 – BlnT + C



Kondo rise



3.3.4. Эффект Кондо (Kondo effect

)

0


Слайд 43

3.3.5. Электронные приборы на спиновых эффектах
Спиновые транзисторы
спиновой полевой транзистор (spin

field-effect transistor)

S. Datta, B. Das, Electronic analog of the electrooptic modulator, Appl. Phys. Lett. 56(7), 665-667 (1990).

ϕ = 2αsm*EyL/ħ2

J = J0cos2(ϕ/2)


Слайд 44

время-пролетный спиновой транзистор
(transit time spin transistor)
I. Appelbaum, D. J. Monsma, Transit-time spin

field-effect transistor, Appl. Phys. Lett. 90, 262501 (2007).



Слайд 45


спин-вентильный транзистор (spin-valve transistor)


Magnetic field (Oe)
Collector current (arb. units)
D. J. Monsma, J. C. Lodder,

T. J. A. Popma, B. Dieny, Perpendicular hot electron spin-valve effect in a new magnetic field sensor: the spin-valve transistor, Phys. Rev. Lett. 74(26), 5260-5263 (1995).

Слайд 46

магнитный туннельный транзистор
(magnetic tunneling transistor)
S. van Dijken, X. Jiang, S. S. P. Parkin, Nonmonotonic

bias voltage dependence of the magnetocurrent in GaAs-based magnetic tunnel transistors, Phys. Rev. Lett. 90, 197203 (2003).


Слайд 47

Сенсоры на гигантском магнитосопротивлении
(GMR sensors)
NVE Corporation

Слайд 48

Магнитная читающая головка (magnetic read head)
Ячейка памяти на гигантском магнитосопротивлении
(GMR

memory cell)

Freescale GMR 4 Mb MRAM

Слайд 49

Ячейки памяти на туннельном магнитосопротивлении
(TMR memory cells)
структуры металл/диэлектрик/метал


Слайд 51
структуры металл/диэлектрик/полупроводник

Слайд 53Направления фундаментальных исследований
в нанонауке

Слайд 54



лекционный курс
“Наноэлектроника”
завершен
NANOELECTRONICS

Слайд 55



3.4.1. Особенности оптических свойств низкоразмерных структур
3.4. Оптические свойства низкоразмерных структур
и

приборы на их основе

Direct gap semiconductors being used for light emitting devices

Слайд 56

Light Emitted by Semiconductors

Слайд 57

Принципы генерации излучения в полупроводниковых структурах с квантовыми колодцами

Слайд 58

3.4.2. Светоизлучающие диоды и гетеролазеры
Светоизлучающие диоды (light emitting diodes)
silicon multiquantum wells
porous

silicon

Слайд 59

Принципиальные конструкции полупроводниковых лазеров

Слайд 60

Лазер на двух гетеропереходах (double heterojunction laser)
Zh. I. Alferov, R. F. Kazarinov, Semiconductor laser

with electric pumping, Inventor’s Certificate no181737 (1963).
H. Kroemer, A proposed class of heterojunction injection lasers,” Proc. IEEE 51(12), 1782-1783 (1963).

Слайд 61

Лазер на квантовых колодцах (quantum well laser)

Слайд 62

Лазер на квантовых точках (Quantum Dot Laser)

Слайд 63
Квантовый каскадный лазер (quantum cascade laser)
R. F. Kazarinov, R. A. Suris, Possibility of the

amplification of electromagnetic waves in a semiconductor with a superlattice, Fiz. Tekh. Poluprovodn. 5(4), 797-800 (1971) – idea.
J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L. Hutchinson, A. Y. Cho, Quantum cascade laser, Science 264, 553-556 (1994) – realization.

Слайд 64

3.4.3. Детекторы излучений на квантовых колодцах

Слайд 65
for developing semiconductor heterostructures used in high-speed- and optoelectronics
The Nobel

Prize in Physics, 2000

From the History of Heterostructures and Information Technology

Zhores I. Alferov
(1930)
A.F. Ioffe Physico-Technical Institute St.Petersburg, Russia

Herbert Kroemer
(1928)
University of California Santa Barbara, USA

Jack S. Kilby
(1923 - 2005)
Texas Instruments Dallas, USA

for basic work on information and communication technology

for his part in the invention of the integrated circuit

Слайд 71R. Chan, M. Feng, N. Holonyak, Jr., and G. Walter, Microwave

operation and modulation of a transistor laser, Appl. Phys. Lett. 86, 131114 (2005).

transistor laser

Слайд 72Typically 25 to 75 active wells are arranged in a QC

laser, each at a slightly lower energy level than the one before -- thus producing the cascade effect, and allowing 25 to 75 photons to be created per electron journey. The QC laser is unique in that its entire structure is manufactured a layer of atoms at a time by a crystal growth technique, Molecular Beam Epitaxy or MBE, invented at Bell Labs in the late sixties. By simply changing the thickness of the semiconductor layers, the laser's wavelength can be changed as well.

Слайд 74Figure 3. Graph of the spectral responsivities of typical Si, InGaAs,

and Ge photodiodes.

http://physics.nist.gov/Divisions/Div844/facilities/phdet/typical.html

Похожие презентации

Newton’s Third Law of Motion 266
Кріогенна техніка і технологія. Вступна лекція 676
Сфералық айналар Үшбұрышты призма және Жазық параллель Пластинадағы сәуле жолы 590
Вспомним Сопротивление материалов (вопросы и ответы для самоконтроля уровня знаний) 311
Взаимодействие токов. Магнитное поле 553
Тема урока: Механическое движение. Материальная точка. Система отсчета. Координаты 326

Обратная связь

Если не удалось найти и скачать презентацию, Вы можете заказать его на нашем сайте. Мы постараемся найти нужный Вам материал и отправим по электронной почте. Не стесняйтесь обращаться к нам, если у вас возникли вопросы или пожелания:

Email: Нажмите что бы посмотреть 

Что такое ThePresentation.ru?

Это сайт презентаций, докладов, проектов, шаблонов в формате PowerPoint. Мы помогаем школьникам, студентам, учителям, преподавателям хранить и обмениваться учебными материалами с другими пользователями.

Для правообладателей

Яндекс.Метрика