Quantengeräte

Grabovoi - Technisches Gerät PRK-1U Verjüngung, Hellsicht, Prognose, ewiges Leben (Juli 2019).

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Quantengeräte

Kapitel 2 - Festkörper-Device-Theorie


Die meisten integrierten Schaltungen sind digital und basieren auf MOS (CMOS) -Transistoren. Alle paar Jahre seit den späten 1960er Jahren hat eine geometrische Schrumpfung stattgefunden, die die Schaltkreisdichte erhöht - mehr Schaltungen zu geringeren Kosten im selben Raum. Ab diesem Schreiben (2006) beträgt die Gate-Länge des MOS-Transistors 65 nm für die Produktion der Vorderkante, wobei 45 nm innerhalb eines Jahres erwartet werden. Bei 65 nm wurden Leckströme sichtbar. Bei 45-nm wurden heroische Innovationen benötigt, um dieses Leck zu minimieren. Das Ende der Schrumpfung in MOS-Transistoren wird bei 20 bis 30 nm erwartet. Obwohl einige denken, dass 1 bis 2 nm die Grenze ist. Photolithographie oder andere lithographische Techniken werden sich weiter verbessern und eine immer kleinere Geometrie bereitstellen. Es wird jedoch nicht erwartet, dass herkömmliche MOS-Transistoren bei diesen kleineren Geometrien unterhalb von 20 bis 30 nm verwendbar sind.

Eine verbesserte Photolithographie muss auf andere als die herkömmlichen Transistoren mit Abmessungen (unter 20 bis 30 nm) angewendet werden. Die störenden MOS-Leckströme beruhen auf quantenmechanischen Effekten - Elektronentunneln durch Gate-Oxid und dem schmalen Kanal. Zusammenfassend sind quantenmechanische Effekte ein Hindernis für immer kleinere herkömmliche MOS-Transistoren. Der Weg zu Geräten mit immer kleinerer Geometrie beinhaltet einzigartige aktive Vorrichtungen, die praktisch quantenmechanische Prinzipien verwenden. Da die physikalische Geometrie sehr klein wird, können Elektronen als das quantenmechanische Äquivalent behandelt werden: eine Welle. Vorrichtungen, die quantenmechanische Prinzipien verwenden, umfassen resonante Tunneldioden, Quantentunneltransistoren, Metall-Isolator-Metall-Dioden und Quantenpunkttransistoren.

Quantentunneln: ist das Passieren von Elektronen durch eine isolierende Barriere, die dünn ist im Vergleich zur de Broglie (hier) Elektronenwellenlänge. 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 Sicht erlaubt es einem Elektron, durch eine Barriere zu tunneln. Die Wahrscheinlichkeit (grün) hängt mit der Dicke der Barriere zusammen. Nach Abbildung 1 (PHA)

In der klassischen Physik muss ein Elektron genügend Energie haben, um eine Barriere zu überwinden. Andernfalls springt es von der Barriere zurück. (Abbildung oben) Die Quantenmechanik erlaubt eine Wahrscheinlichkeit, dass sich das Elektron auf der anderen Seite der Barriere befindet. Wenn es wie eine Welle behandelt wird, kann das Elektron verglichen mit der Dicke der Barriere ziemlich groß aussehen. Selbst wenn es als Welle behandelt wird, gibt es nur eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass es auf der anderen Seite einer dicken Barriere gefunden wird. Siehe den grünen Teil der Kurve, Abbildung oben. Die Verdünnung der Barriere erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass das Elektron auf der anderen Seite der Barriere gefunden wird. (PHA)

Tunneldiode: Die unqualifizierte Bezeichnung Tunneldiode bezieht sich auf die Esaki-Tunneldiode, ein frühes Quantengerät. Eine rückwärts vorgespannte Diode bildet eine Verarmungszone, eine isolierende Zone, zwischen der leitenden Anode und der Kathode. Diese Verarmungszone ist nur dünn im Vergleich zur Elektronenwellenlänge, wenn sie stark dotiert ist - 1000 mal mehr als die Dotierung einer Gleichrichterdiode. Bei geeigneter Vorspannung ist Quantentunneln möglich. Siehe CH 3 für Details.

RTD, resonante Tunneldiode: Dies ist ein Quantengerät, das nicht mit der Esaki-Tunneldiode, CH 3, einem herkömmlichen stark dotierten bipolaren Halbleiter, zu verwechseln ist. Elektronen tunneln durch zwei Barrieren, die durch eine Wanne getrennt sind, die in einer resonanten Tunneldiode von Source zu Drain fließt. Tunneln wird auch als quantenmechanisches Tunneln bezeichnet. Der Elektronenfluss wird durch Diodenvorspannung gesteuert. Dies stimmt die Energieniveaus der Elektronen in der Quelle mit dem quantisierten Niveau in der Quelle überein, so dass Elektronen durch die Barrieren tunneln können. Das Energieniveau in der Mulde wird quantisiert, weil die Mulde klein ist. Wenn die Energieniveaus gleich sind, tritt eine Resonanz auf, die den Elektronenfluss durch die Barrieren ermöglicht, wie in Abbildung (b) gezeigt. In den Figuren (a) und (c) wird in den Figuren keine Vorspannung oder zu große Abweichung gezeigt, was zu einer Energiefehlanpassung zwischen der Quelle und der Wanne und keiner Leitung führt.

Resonanztunneldiode (RTD): (a) Keine Bias-, Quellen- und Muldenenergieniveaus, keine Übereinstimmung, keine Leitung. (b) Geringe Vorspannung verursacht angepaßte Energieniveaus (Resonanz); Leitungsergebnisse. (c) Weitere Vorspannungen stimmen nicht mit den Energieniveaus überein und verringern die Leitfähigkeit.

Wenn die Vorspannung von Null über den RTD erhöht wird, steigt der Strom an und fällt dann ab, entsprechend den Zuständen Aus, Ein und Aus. Dies macht eine Vereinfachung herkömmlicher Transistorschaltungen möglich, indem ein Paar von RTDs für zwei Transistoren eingesetzt wird. 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 weniger Leistung benötigt. Die potentielle Anwendung von RTDs besteht darin, die Anzahl, die Fläche und die Verlustleistung von herkömmlichen Transistorschaltungen zu reduzieren, indem einige, wenn auch nicht alle Transistoren ersetzt werden. (GEP) Es wurde gezeigt, dass RTDs bis zu 712 GHz oszillieren. (ERB)

Doppelschicht- Tunneltransistor : Der Delt, der auch als Doppelschicht- Tunneltransistor bekannt ist, besteht aus einem Paar leitender Wannen, 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 Quantentöpfe bekannt . Ein Paar dieser Quantentöpfe ist durch eine dünne GaAlAs-Schicht mit hoher Bandlücke (nicht leicht leitend) isoliert. Elektronen können durch die isolierende Schicht tunneln, wenn die Elektronen in den beiden Quantentöpfen den gleichen Impuls und die gleiche Energie haben. Die Vertiefungen sind so dünn, dass das Elektron als eine 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 der Quelle zum Drain zu ermöglichen. Abbildung unten, rote Balken des Barrieren-Diagramms zeigen ungleiche Energieniveaus in den Bohrlöchern, eine "Aus-Zustand" Bedingung. Die richtige Vorspannung der Gates gleicht die Energieniveaus der Elektronen in den Wells aus, die "Ein-Zustand" -Bedingung. Die Balken wären im Energie-Level-Diagramm auf gleicher Höhe.

Der Doppelschicht-Tunneltransistor (Deltt) besteht aus zwei Elektronen enthaltenden Wannen, die durch eine nichtleitende Barriere getrennt sind. Die Gate-Spannungen können so eingestellt werden, dass die Energie und das Moment der Elektronen in den Wannen gleich sind, was es Elektronen ermöglicht, durch die nicht-leitende Barriere zu tunneln. (Die Energieniveaus werden im Sperrdiagramm als ungleich dargestellt.)

Wenn die Gate-Vorspannung über das 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, dass ein Paar von Deltts in der Art eines komplementären CMOS-Paars gestapelt wird; Allerdings sind verschiedene p- und n-Transistoren nicht erforderlich. Die Versorgungsspannung beträgt ca. 100 mV. Es wurden experimentelle Deltts hergestellt, die in der Nähe von 4, 2 K, 77 K und 0 ° C arbeiten. Raumtemperatur-Versionen werden erwartet. (GEP) (IGB) (PFS)

MIIM-Diode: Die Metall-Isolator-Isolator-Metall- (MIIM) -Diode ist ein Quantentunnel-Bauelement, das nicht auf Halbleitern basiert. Siehe "MIIM-Diodenabschnitt" Abbildung unten. Die Isolatorschichten müssen im Vergleich zur de-Broglie (hier) -Elektronenwellenlänge dünn sein, damit Quantentunneln möglich ist. Für die Diodenwirkung muss eine bevorzugte Tunnelrichtung vorhanden sein, was zu einer scharfen Biegung in der Vorwärtskennlinie der Diode führt. Die MIIM-Diode hat eine schärfere Vorwärtskrümmung als die hier nicht betrachtete Metall-Isolator-Metall- (MIM) -Diode.

Metall Isolator Isolator Metall (MIIM) Diode: Querschnitt der Diode. Energiepegel für keine Vorspannung, Vorwärtsspannung und Sperrspannung. Nach Abbildung 1 (PHI).

Die Energieniveaus von M1 und M2 sind in "no bias" gleich. Aufgrund der hohen I1- und I2-Barrieren können jedoch (thermische) Elektronen nicht fließen. Elektronen im Metall M2 haben ein höheres Energieniveau bei "Sperrspannung", können aber die Isolatorbarriere immer noch nicht überwinden. Wenn die "Vorwärtsvorspannung" erhöht wird, wird zwischen den Isolatoren ein Quantentopf gebildet, ein Bereich, in dem Elektronen existieren können. Elektronen können den Isolator I1 durchlaufen, wenn M1 auf dem gleichen Energieniveau wie der Quantentrog 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 sich die Elektronenwelle von M1 zum Quantentopf überlappt. Für eine detailliertere 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: Ein isolierter Leiter kann eine Ladung annehmen, die für große Objekte in Coulomb gemessen wird. Für einen nanoskaligen isolierten Leiter, der als Quantenpunkt bekannt ist, wird die Ladung in Elektronen gemessen. Ein Quantenpunkt von 1 bis 3 nm kann eine inkrementelle Ladung eines einzelnen Elektrons annehmen. Dies ist die Grundlage des Quantenpunkttransistors, der auch als Einelektronentransistor bekannt ist .

Ein Quantenpunkt, der auf einem dünnen Isolator über einer elektronenreichen Quelle angeordnet ist, ist als Einzelelektronenkasten bekannt . (Abbildung unten (a)) Die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron zu übertragen, hängt mit der Größe des Punktes und der Anzahl der bereits auf dem Punkt befindlichen Elektronen zusammen.

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

(a) Einzelelektronen-Box, ein isolierter Quantenpunkt, der durch einen Isolator von einer Elektronenquelle getrennt ist. (b) Positive Ladung am Gate polarisiert Quantenpunkte, wobei ein Elektron von der Quelle zum Punkt getunnelt wird. (c) Quantentransistor: Der Kanal wird durch einen Quantenpunkt ersetzt, der von einer Tunnelbarriere umgeben ist.

Wenn der Quantenpunkt von einer Tunnelbarriere umgeben ist und zwischen Source und Drain eines herkömmlichen FET eingebettet ist, wie in Figur (c), kann die Ladung auf dem Punkt den Elektronenfluß von Source zu Drain modulieren. Wenn die Gate-Spannung ansteigt, steigt der Source-Drain-Strom bis zu einem Punkt an. Ein weiterer Anstieg der Gate-Spannung verringert den Drain-Strom. Dies ist ähnlich dem Verhalten der RTD- und Deltt-Resonanzvorrichtungen. Zum Aufbau eines komplementären Logikgatters ist nur eine Transistorart erforderlich. (GEP)

Einelektronischer Transistor: Wenn ein Paar von Leitern, Supraleitern oder Halbleitern durch ein Paar Tunnelbarrieren (Isolator) getrennt sind, die eine winzige leitfähige Insel umgeben, wie ein Quantenpunkt, fließt der Fluss einer einzigen Ladung (ein Cooper-Paar für Supraleiter) kann durch ein Tor gesteuert werden. Dies ist ein Einzelelektron-Transistor ähnlich wie in Figur (c). Durch Erhöhung der positiven Ladung am Gate kann ein Elektron zur Insel tunneln. Wenn es ausreichend klein ist, wird die niedrige Kapazität bewirken, dass das Punktpotential aufgrund des einzelnen Elektrons wesentlich ansteigt. Aufgrund der Elektronenladung können keine Elektronen mehr zur Insel tunneln. Dies ist bei der Coulomb-Blockade bekannt . Das Elektron, das zu der Insel getunnelt wurde, kann zum Drain tunneln.

Einzelelektronen-Transistoren arbeiten nahe dem absoluten Nullpunkt. Eine Ausnahme bildet der Graphen-Einelektronentransistor mit einer Grapheninsel. Sie sind alle experimentelle Geräte.

Graphen-Transistor: Graphit, ein Allotrop aus Kohlenstoff, hat nicht die starre ineinandergreifende Kristallstruktur von Diamant. Nichtsdestoweniger hat es eine kristalline Struktur - ein Atom dick, eine sogenannte zweidimensionale Struktur. Ein Graphit ist ein dreidimensionaler Kristall. Es spaltet jedoch in dünne Blätter. Experimentierfreudige produzieren dabei extrem dünne Punkte, die so dünn sind wie ein einzelnes Atom, das als Graphen bekannt ist . (Abbildung unten (a)) Diese Membranen haben einzigartige elektronische Eigenschaften. Hochleitend ist die Leitung entweder durch Elektronen oder Löcher, ohne irgendeine Art von Dotierung. (AKG)

Graphenschichten können durch lithographische Techniken in Transistorstrukturen geschnitten werden. Die Transistoren haben eine gewisse Ähnlichkeit mit einem MOSFET. Ein Gate, das kapazitiv an einen Graphenkanal gekoppelt ist, steuert die Leitung.

Da Siliziumtransistoren zu kleineren Größen skalieren, steigt die Leckage mit der Verlustleistung. Und sie werden alle paar Jahre kleiner. Graphen-Transistoren dissipieren wenig Strom. Und sie wechseln mit hoher Geschwindigkeit. Graphen könnte irgendwann ein Ersatz für Silizium sein.

Graphen kann zu Geräten mit einer Breite von bis zu sechzig Atomen verarbeitet werden. Graphen-Quantenpunkte innerhalb eines so kleinen Transistors dienen als Einzelelektronen-Transistoren . Frühere Einelektronentransistoren, die entweder aus Supraleitern oder herkömmlichen Halbleitern hergestellt sind, arbeiten nahe dem absoluten Nullpunkt. Graphen-Einzelelektronen-Transistoren funktionieren nur bei Raumtemperatur (JWA)

Graphen-Transistoren sind zu dieser Zeit Kuriositäten. Wenn sie in zwei Jahrzehnten in Produktion gehen sollen, müssen Graphenwafer produziert 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 Graphit-Allotrops aus Kohlenstoff. Die Atome sind in einem hexagonalen Muster mit Kohlenstoff an jeder Kreuzung angeordnet. (b) Kohlenstoff-Nanoröhrchen: Ein aufgerolltes Graphen-Blatt.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Transistor: Wenn eine 2-D-Folie aus Graphen gerollt wird, ist die resultierende 1-D-Struktur als Kohlenstoff-Nanoröhre bekannt . (Abbildung oben (b)) Der Grund, es als 1-dimensional zu behandeln, ist, dass es sehr leitfähig ist. Elektronen durchqueren die Kohlenstoff-Nanoröhre, ohne durch ein Kristallgitter gestreut zu werden. Der Widerstand in normalen Metallen wird durch Streuung von Elektronen durch das metallische Kristallgitter verursacht. Wenn Elektronen diese Streuung vermeiden, wird die Leitung als ballistischer Transport bezeichnet . Sowohl metallische (wirkende) als auch halbleitende Kohlenstoff-Nanoröhren wurden hergestellt. (MBR)

Feldeffekttransistoren können aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen hergestellt werden, indem Source- und Drain-Kontakte an den Enden abgeschieden werden und ein Gate kapazitiv mit dem Nanoröhrchen zwischen den Kontakten gekoppelt wird. Sowohl p- als auch n-Typ-Transistoren wurden hergestellt. Warum das Interesse an Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Transistoren "# PNG.bibitem"> (PNG)

Spintronik: Herkömmliche Halbleiter steuern den Fluss von Elektronenladung, Strom. Digitale Zustände werden durch den Stromfluss "Ein" oder "Aus" dargestellt. Da Halbleiter mit der Bewegung zu einer kleineren Geometrie dichter werden, nimmt die Leistung, die als Wärme abgeführt werden muss, zu dem Punkt zu, an dem sie schwer zu entfernen ist. Elektronen haben andere Eigenschaften als Ladung, wie beispielsweise Spin. Eine vorläufige Erklärung des Elektronenspins ist die Rotation der verteilten Elektronenladung um die Spinachse, analog zur täglichen Rotation der Erde. Die durch Ladungsbewegung erzeugten Stromschleifen bilden ein magnetisches Feld. Das Elektron ist jedoch eher eine Punktladung als eine verteilte Ladung. Daher ist die rotierende Verteilung der verteilten Ladung keine korrekte Erklärung für den Spin. Elektronenspin kann einen von zwei Zuständen haben: nach oben oder nach unten, was digitale Zustände darstellen kann. Genauer gesagt kann die Spin (m s ) Quantenzahl ± 1/2 der Drehimpuls (l) Quantenzahl sein. (DDA)

Durch die Steuerung des Elektronenspins anstelle des Ladungsflusses wird die Verlustleistung erheblich reduziert und die Schaltgeschwindigkeit erhöht. Spintronics, ein Akronym für SPIN TRansport electronic, wird wegen der Schwierigkeit, Elektronenspin zu erzeugen, zu steuern und zu messen, nicht häufig angewendet. Jedoch wird ein hochdichter, nichtflüchtiger magnetischer Spinspeicher unter Verwendung modifizierter Halbleiterprozesse hergestellt. Dies bezieht sich auf den Magnetventillesekopf, der in Computerfestplattenlaufwerken verwendet wird und hier nicht weiter erwähnt wird.

Ein einfacher magnetischer Tunnelübergang (MTJ) ist in Abbildung (a) gezeigt und besteht aus einem Paar ferromagnetischer, stark magnetischer Eigenschaften wie Eisen (Fe), Schichten, die durch einen dünnen Isolator getrennt sind. 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 niedrig, wenn der magnetische Spin der oberen Schicht in der gleichen Richtung (Polarität) wie die untere Schicht ist. Wenn sich die magnetischen Spins der beiden Schichten widersetzen, ist der Widerstand höher. (WJG)

(a) Magnetischer Tunnelübergang (MTJ): Ein 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 Änderungen der Polarität der oberen ferromagnetischen Schicht. Angepasst an (WJG) Abbildung 3.

Die Widerstandsänderung kann durch die Zugabe eines Antiferromagneten verstärkt werden, ein Material mit Spins, die ausgerichtet sind, aber entgegengesetzt sind, unter der unteren Schicht in Figur (b). Dieser Vormagnetisierungsmagnet spannt die untere ferromagnetische Schicht auf eine einzige unveränderliche Polarität. Die Magnetisierung der oberen Schicht (Spin) kann umgedreht werden, um Daten durch Anlegen eines externen Magnetfelds darzustellen, das in der Figur nicht gezeigt ist. Die gepinnte Schicht wird nicht von externen Magnetfeldern beeinflusst. Wiederum ist der MTJ-Widerstand am niedrigsten, wenn der Spin der oberen ferromagnetischen Schicht derselbe ist wie der der unteren pinnenden ferromagnetischen Schicht. (WJG)

Die MTJ kann weiter verbessert werden, indem die festgelegte ferromagnetische Schicht in zwei Schichten aufgeteilt wird, die durch eine Pufferschicht in Fig. 8 (a) getrennt sind. Dies isoliert die oberste Schicht. Die untere ferromagnetische Schicht ist wie in der vorherigen Figur durch den Antiferromagneten fixiert. Die ferromagnetische Schicht über dem Puffer wird von der unteren ferromagnetischen Schicht angezogen. Gegensätze ziehen sich an. Somit ist die Spinpolarität der zusätzlichen Schicht entgegengesetzt zu der in der unteren Schicht aufgrund der Anziehung. Die unteren und mittleren ferromagnetischen Schichten bleiben fest. Die obere ferromagnetische Schicht kann durch hohe Ströme in benachbarten Leitern (nicht gezeigt) entweder auf Spinpolarität eingestellt werden. So werden Daten gespeichert. Daten werden durch den Unterschied im Stromfluss durch den Tunnelübergang ausgelesen. Der Widerstand ist am niedrigsten, wenn die Schichten auf beiden Seiten der isolierenden Schicht denselben Spin haben. (WJG)

(a) Spalten der fixierten ferromagnetischen Schicht von (b) durch eine Pufferschicht verbessert die Stabilität und isoliert die obere ferromagnetische unfixierte Schicht. Daten werden in der oberen ferromagnetischen Schicht basierend auf der Spinpolarität gespeichert. (B) MTJ-Zelle eingebettet in Leseleitungen eines Halbleiterchips - eines von vielen MTJs. Angepasst von (IBM)

Eine Anordnung magnetischer Tunnelübergänge kann in einen Siliziumwafer eingebettet sein, wobei Leiter die oberen und unteren Anschlüsse zum Lesen von Datenbits von den MTJs mit herkömmlichen CMOS-Schaltungen verbinden. Ein solcher MTJ ist in Figur (b) mit den Leseleitern gezeigt. Nicht gezeigt, schaltet eine andere gekreuzte Anordnung von Leitern, die schwere 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 in der Anordnung ist unter der Leiterüberkreuzung magnetisiert. Daten werden ausgelesen, indem der MTJ-Strom mit herkömmlichen Siliziumhalbleiterschaltungen gemessen wird. (IBM)

Der Hauptgrund für das Interesse an Magnettunnel-Speicher ist, dass es nichtflüchtig ist . Es verliert keine Daten, wenn es ausgeschaltet ist. Andere Arten von nichtflüchtigem Speicher können nur begrenzte Speicherzyklen haben. MTJ-Speicher ist auch eine höhere Geschwindigkeit als die meisten Halbleiter-Speichertypen. Es ist jetzt (2006) ein kommerzielles Produkt. (TLE)

Kein kommerzielles Produkt oder gar Laborgerät ist der theoretische Spin-Transistor, der eines Tages Spin-Logik-Gatter ermöglichen könnte. Der Spin-Transistor ist eine Ableitung der theoretischen Spin-Diode.

Es ist seit einiger Zeit bekannt, dass Elektronen, die durch einen Kobalt-Eisen-Ferromagneten fließen, spinpolarisiert werden. Der Ferromagnet wirkt als ein Filter, der vorzugsweise Elektronen von einem Spin durchlässt. Diese Elektronen können in einen benachbarten nichtmagnetischen Leiter (oder Halbleiter) fließen, der die Spinpolarisation für eine kurze Zeit, Nanosekunden, beibehält. Spinpolarisierte Elektronen können sich jedoch im Vergleich zu Halbleiterdimensionen eine beträchtliche Strecke ausbreiten. Die spinpolarisierten Elektronen können durch eine ferromagnetische Nickel-Eisen-Schicht benachbart zu dem Halbleiter detektiert werden. (DDA) (RCJ2)

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

  • REZENSION:
  • Da MOS-Gate-Oxid bei jeder Generation von kleineren Transistoren dünner wird, verursacht eine übermäßige Gate-Leckage eine inakzeptable Verlustleistung und Erwärmung. Die Begrenzung der konventionellen Halbleitergeometrie ist in Sichtweite.
  • Resonant Tunneling Diode (RTD): Im RTD werden quantenmechanische Effekte eingesetzt, die herkömmliche Halbleiter verschlechtern. Der Elektronenfluss durch einen ausreichend dünnen Isolator erfolgt durch die Wellennatur der Elektronen-Teilchen-Welle. Der RTD funktioniert als Verstärker.
  • Doppelschicht-Tunneltransistor (Deltt): Der Deltt ist eine Transistorversion des RTD. Gate-Bias steuert die Fähigkeit von Elektronen, durch einen dünnen Isolator von einem Quantentopf zum anderen zu tunneln (von Source zu Drain).
  • 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 die Source zum Drain des Stromflusses.
  • Spintronik: Elektronen haben zwei grundlegende Eigenschaften: Ladung und Spin. Herkömmliche elektronische Geräte steuern den Ladungsfluss und leiten Energie ab. Spintronische Geräte manipulieren Elektronenspin, einen propagierenden, nicht dissipativen Prozess.