量子设备

大多数集成电路都是数字的，基于 MOS (CMOS) 晶体管。自 1960 年代后期以来，每隔几年就会发生几何尺寸缩小，从而增加了电路密度——在相同的空间内以更低的成本提供更多的电路。在撰写本文时（2006 年），用于前沿生产的 MOS 晶体管栅极长度为 65 纳米，预计在一年内达到 45 纳米。在 65 nm 处，漏电流变得很明显。在 45 纳米上，需要进行英勇的创新来最大程度地减少这种泄漏。预计 20 至 30 纳米将结束 MOS 晶体管的收缩。尽管有些人认为 1 到 2 纳米是极限。光刻或其他光刻技术将继续改进，提供更小的几何形状。然而，传统的 MOS 晶体管预计不适用于这些小于 20 至 30 纳米的较小几何尺寸。

改进的光刻技术必须应用于传统晶体管以外的尺寸（20 到 30 纳米以下）。令人讨厌的 MOS 漏电流是由于量子力学效应——电子隧道穿过栅极氧化物和窄通道。总之，量子力学效应阻碍了越来越小的传统 MOS 晶体管。通往更小几何器件的途径涉及独特的有源器件，这些器件实际使用了量子力学原理。随着物理几何变得非常小，电子可以被视为量子力学等价物：波。利用量子力学原理的器件包括谐振隧道二极管、量子隧道晶体管、金属绝缘体金属二极管和量子点晶体管。

量子隧道

量子隧道： 是电子穿过比德布罗意电子波长薄的绝缘屏障。如果“电子波”比势垒大，则有可能在势垒两侧出现波。

电子克服障碍的经典观点，或不。量子力学视图允许电子穿过势垒。概率（绿色）与势垒厚度有关。图一之后

在经典物理学中，电子必须有足够的能量才能跨越障碍。否则，它会从屏障上后退。 （上图）量子力学允许电子位于势垒另一侧的可能性。如果将其视为波，与势垒的厚度相比，电子可能看起来相当大。即使将其视为波浪，也只有很小的概率会在厚壁屏障的另一侧找到它。见曲线的绿色部分，如上图。使势垒变薄会增加在势垒另一侧发现电子的可能性。

隧道二极管

隧道二极管： 不合格术语隧道二极管 指的是esaki隧道二极管 ，一种早期的量子设备。反向偏置二极管在导电阳极和阴极之间形成耗尽区、绝缘区。与重掺杂时的电子波长相比，该耗尽区仅薄 - 是整流二极管掺杂的 1000 倍。通过适当的偏置，量子隧穿是可能的。详情见CH 3。

谐振隧道二极管 (RTD)

RTD，谐振隧道二极管： 这是一种不要与江崎隧道二极管 CH 3（一种传统的重掺杂双极半导体）混淆的量子器件。电子隧道 通过在流动的源极中被井隔开的两个势垒到 谐振隧道二极管中的漏极 .隧道效应也称为量子力学隧道效应。电子流由二极管偏置控制。这将源中电子的能级与阱中的量子化能级相匹配，以便电子可以穿过势垒。阱中的能级被量化，因为阱很小。当能级相等时，共振 发生，允许电子流过势垒，如下图（b）所示。无偏压或偏压过大，分别在下图中的（a）和（c）中，会导致源极和阱之间的能量不匹配，并且不导通。

谐振隧道二极管 (RTD)： (a) 无偏置，源能级和阱能级不匹配，无传导。 (b) 小偏差导致匹配的能级（共振）；传导结果。 (c) 进一步偏置使能级失配，降低传导。

随着 RTD 上的偏置从零增加，电流增加然后减少，对应于关、开和关状态。通过用一对 RTD 代替两个晶体管，可以简化传统的晶体管电路。例如，两个背对背 RTD 和一个晶体管形成一个存储单元，与传统电路相比，使用更少的组件、更少的面积和更少的功率。 RTD 的潜在应用是通过替换一些（尽管不是全部）晶体管来减少传统晶体管电路的组件数量、面积和功耗。 [GEP] RTD 的振荡频率高达 712 GHz。 [ERB]

双层隧道晶体管（Deltt）

双层隧道晶体管： 德尔特 ，也称为双层隧道晶体管 由一对由绝缘体或高带隙半导体隔开的导电阱构成。 （下图）这些井非常薄，以至于电子被限制在二维空间内。这些被称为量子井 .一对这样的量子阱被薄的 GaAlAs 高带隙（不易导电）层绝缘。电子可以隧道 如果两个量子阱中的电子具有相同的动量和能量，则穿过绝缘层。这些井非常薄，以至于电子可以被视为波——粒子和波的量子力学二元性。可以调整顶部和可选的底部控制栅极以均衡电子的能级（共振）以允许从源极到漏极的传导。下图，势垒图红色条显示井中不相等的能量水平，一种“关闭状态”条件。栅极的适当偏置均衡了阱中电子的能级，即“通态”条件。条形图在能级图中处于同一水平。

双层隧道晶体管 (Deltt) 由两个由非导电势垒隔开的含电子阱组成。可以调整栅极电压，使得阱中电子的能量和动量相等，这允许电子隧道穿过非导电势垒。 （能级在势垒图中显示为不相等。）

如果栅极偏压增加到超过隧穿所需的值，量子阱中的能级不再匹配，隧穿被抑制，源漏电流降低。总而言之，从零开始增加栅极偏置会导致开启、关闭、开启条件。这允许一对 Deltt 以 CMOS 互补对的方式堆叠；但是，不需要不同的 p 型和 n 型晶体管。电源电压约为 100 mV。已生产出实验性 Deltt，可在 4.2 K、77 K 和 0o C 附近运行。预计室温版本。[GEP] [IGB] [PFS]

金属-绝缘体-绝缘体-金属 (MIIM)

MIIM 二极管： 金属-绝缘体-绝缘体-金属 (MIIM) 二极管是一种量子隧穿器件，并非基于半导体。请参见下图“MIIM 二极管部分”。与德布罗意电子波长相比，绝缘体层必须很薄，才能实现量子隧道效应。对于二极管的作用，必须有一个首选的隧道方向，导致二极管正向特性曲线急剧弯曲。 MIIM二极管的正向曲线比金属绝缘体金属（MIM）二极管更陡峭，这里不考虑。

金属绝缘体绝缘体金属 (MIIM) 二极管：二极管的横截面。无偏置、正向偏置和反向偏置的能级。在图 1 之后。

M1 和 M2 的能级在上图中的“无偏置”中相等。然而，由于高 I1 和 I2 势垒，（热）电子无法流动。金属 M2 中的电子在上图中的“反向偏置”中具有更高的能级，但仍然无法克服绝缘体势垒。随着上图“前向偏差”的增加，一个量子阱 绝缘体之间形成可能存在电子的区域。如果 M1 基于与量子阱相同的能级，则电子可以穿过绝缘体 I1。一个简单的解释是通过绝缘体的距离更短。更长的解释是随着偏置的增加，电子波从 M1 重叠到量子阱的概率增加。有关更详细的解释，请参阅 Phiar Corp. [PHI]

MIIM 设备的工作频率（3.7 THz）高于微波晶体管。 [RCJ3] 在 MIIM 二极管上增加第三个电极产生晶体管。

量子点晶体管

量子点晶体管： 隔离的导体可能带有电荷，对于大型物体，以库仑为单位。对于称为量子点的纳米级隔离导体 ，电荷以电子计。 1 到 3 纳米的量子点可以承担单个电子的增量电荷。这是量子点晶体管的基础 ，也称为单电子晶体管 .

放置在富电子源上的薄绝缘体顶部的量子点被称为单电子盒 . （下图（a））转移一个电子所需的能量与点的大小和点上已有的电子数有关。

量子点上方的栅电极可以调节量子点的能级，从而使电子（作为波）从源通过绝缘体的量子力学隧穿成为可能。 （下图（b））因此，单个电子可以隧穿到点。

(a) 单电子盒，一个孤立的量子点，通过绝缘体与电子源分开。 (b) 栅极上的正电荷极化量子点，将电子从源极隧穿到量子点。 (c) 量子晶体管：沟道被隧道势垒包围的量子点代替。

如果量子点被隧道势垒包围并嵌入传统 FET 的源极和漏极之间，如上图 (c) 所示，量子点上的电荷可以调节电子从源极到漏极的流动。随着栅极电压的增加，源极到漏极的电流增加，直至达到一定程度。栅极电压的进一步增加会降低漏极电流。这类似于 RTD 和 Deltt 谐振器件的行为。构建互补逻辑门只需要一种晶体管。[GEP]

单电子晶体管

单电子晶体管： 如果一对导体、超导体或半导体被一对隧道势垒（绝缘体）隔开，围绕一个微小的导电岛，如量子点，单个电荷的流动（超导体的库珀对）可能受到以下控制一个门。这是一个单电子晶体管 类似于上图（c）。增加栅极上的正电荷，允许电子隧道到岛。如果足够小，低电容会导致点电位由于单个电子而大幅上升。由于电子电荷，没有更多的电子可以隧道到岛上。这在库仑阻塞中是已知的 .隧穿到岛的电子可以隧穿到漏极。

单电子晶体管在接近绝对零的情况下工作。例外的是石墨烯单电子晶体管，它有一个石墨烯岛。都是实验装置。

石墨烯和碳纳米管晶体管

石墨烯晶体管： 石墨是碳的同素异形体，不具有金刚石的刚性互锁晶体结构。尽管如此，它具有晶体结构——一个原子厚，即所谓的二维结构。石墨是三维晶体。然而，它分裂成薄片。实验者将这一点发挥到极致，产生了微米大小的斑点，薄如单个原子，称为石墨烯 . （下图（a））这些膜具有独特的电子特性。高导电性，通过电子或空穴传导，没有任何类型的掺杂。 [AKG]

石墨烯片可以通过光刻技术切割成晶体管结构。晶体管与 MOSFET 有一些相似之处。与石墨烯通道电容耦合的栅极控制导电。

随着硅晶体管缩小到更小的尺寸，泄漏会随着功率耗散而增加。它们每隔几年就会变小。石墨烯晶体管耗散的功率很小。而且，它们高速切换。石墨烯可能有一天会取代硅。

石墨烯可以制成小至 60 个原子宽的器件。这么小的晶体管内的石墨烯量子点充当单电子晶体管 .以前由超导体或传统半导体制成的单电子晶体管工作在绝对零附近。石墨烯单电子晶体管在室温下具有独特的功能[JWA]

石墨烯晶体管此时是实验室的好奇心。如果要在 20 年后投入生产，就必须生产石墨烯晶片。第一步，通过化学气相沉积 (CVD) 生产石墨烯已在实验规模上完成。不过，目前还没有可用的晶圆。

(a) 石墨烯：单片碳的石墨同素异形体。原子以六边形图案排列，每个交叉点都有一个碳。 (b) 碳纳米管：卷起的石墨烯片。

碳纳米管晶体管： 如果卷起二维石墨烯片，则所得一维结构称为碳纳米管 . （上图（b））将其视为一维的原因是它具有高导电性。电子穿过碳纳米管而不会被晶格散射。普通金属的电阻是由金属晶格散射电子引起的。如果电子避免这种散射，则称传导是通过弹道传输 .金属（作用）和半导体碳纳米管都已生产。 [MBR]

场效应晶体管可以由碳纳米管制成，方法是在末端沉积源极和漏极触点，并将栅极电容耦合到触点之间的纳米管。 p 型和 n 型晶体管都已制作完成。为什么对碳纳米管晶体管感兴趣？与硅晶体管相比，纳米管半导体更小、更快、功耗更低。 [PNG]

自旋电子学

自旋电子学： 传统的半导体控制电子电荷、电流的流动。数字状态由电流的“开”或“关”表示。随着半导体向更小的几何形状移动而变得更加密集，必须随着热量消散的功率增加到难以去除的程度。电子具有电荷以外的性质，例如自旋。 电子自旋的初步解释 是分布的电子电荷绕自旋轴旋转，类似于地球的昼夜自转。电荷运动产生的电流回路形成磁场。然而，电子更像是点电荷而不是分布电荷，因此，旋转分布电荷类比不是自旋的正确解释。电子自旋可能具有两种状态之一：向上或向下，这可以表示数字状态。更准确地说，自旋 (ms) 量子数可能是角动量 (l) 量子数的 ±1/2。 [DDA]

控制电子自旋而不是电荷流可显着降低功耗并提高开关速度。 自旋电子 ，SPIN TRansport电子的首字母缩写词， 由于难以产生、控制和感应电子自旋，因此没有得到广泛应用。然而，高密度、非易失性磁自旋存储器正在使用改进的半导体工艺生产。这与自旋阀有关 用于计算机硬盘驱动器的磁读头，此处不再赘述。

一个简单的磁性隧道结 (MTJ) 如下图（a）所示，由一对铁磁组成 , 强磁性如铁 (Fe)，由薄绝缘体分隔的层。由于电子的量子力学特性——电子的波动性，电子可以穿过足够薄的绝缘体。流过 MTJ 的电流是铁磁层的磁化强度、自旋极性的函数。如果顶层的磁自旋与底层的方向（极性）相同，则 MTJ 的电阻较低。如果两层的磁自旋相反，则电阻更高。 [WJG]

(a) 磁性隧道结 (MTJ)：由薄绝缘体隔开的一对铁磁层。电阻随顶层的磁化极性而变化 (b) 反铁磁偏置磁铁和固定的底部铁磁层增加了对顶部铁磁层极性变化的电阻敏感性。改编自 [WJG] 图 3。

添加反铁磁体可以增强电阻的变化 ，自旋对齐但相反的材料，位于上图（b）中的底层下方。这个偏置磁铁引脚 较低的铁磁层旋转到一个不变的极性。顶层磁化（自旋）可以通过应用图中未显示的外部磁场翻转来表示数据。被钉扎层不受外部磁场的影响。同样，当顶部铁磁层的自旋与底部固定铁磁层的自旋方向相同时，MTJ 电阻最低。 [WJG]

MTJ 可以通过将被钉扎的铁磁层分成由缓冲层隔开的两层来进一步改进，如图（a）所示。这隔离了顶层。底部铁磁层由反铁磁体固定，如上图所示。缓冲器顶部的铁磁层被底部的铁磁层吸引。异性相吸。因此，由于吸引力，附加层的自旋极性与底层的自旋极性相反。底部和中间铁磁层保持固定。可以通过邻近导体（未示出）中的高电流将顶部铁磁层设置为任一自旋极性。这就是数据的存储方式。通过隧道结的电流差异读出数据。如果绝缘层两侧的层自旋相同，则电阻最低。 [WJG]

(a) 通过缓冲层分割 (b) 的钉扎铁磁层提高了稳定性并隔离了顶部铁磁未钉扎层。数据存储在基于自旋极性的顶部铁磁层中 (b) MTJ 单元嵌入半导体芯片的读取线 - 许多 MTJ 之一。改编自 [IBM]

磁性隧道结阵列可以嵌入硅晶片中，导体连接顶部和底部端子，用于从具有传统 CMOS 电路的 MTJ 读取数据位。上图 (b) 中显示了一个这样的 MTJ，带有读取导体。未显示，另一个携带大量写入电流的交叉导体阵列切换顶部铁磁层的磁自旋以存储数据。电流施加到许多“X”导体和“Y”导体之一。阵列中的一个 MTJ 在导体的交叉下被磁化。通过使用传统的硅半导体电路感测 MTJ 电流来读取数据。 [IBM]

对磁性隧道结存储器感兴趣的主要原因是它是非易失性 . “断电”时不会丢失数据。其他类型的非易失性存储器只能进行有限的存储周期。 MTJ 存储器的速度也高于大多数半导体存储器类型。它现在（2006 年）是一种商业产品。 [TLE]

理论上的自旋晶体管不是商业产品，甚至不是实验室设备，它可能有朝一日使自旋逻辑门成为可能。自旋晶体管是理论自旋二极管的衍生物。一段时间以来，人们都知道流过钴铁铁磁体的电子会发生自旋极化。铁磁体充当过滤器，优先通过一个自旋的电子。这些电子可能会流入相邻的非磁性导体（或半导体），并在短时间内保持自旋极化，即纳秒。然而，与半导体尺寸相比，自旋极化电子可能传播相当大的距离。自旋极化电子可以通过与半导体相邻的镍铁铁磁层来检测。 [DDA] [RCJ2]

还表明，当圆偏振光照射某些半导体材料时，会发生电子自旋极化。因此，应该可以将自旋极化电子注入半导体二极管或晶体管。对基于自旋的晶体管和门的兴趣是因为与耗散电荷流相比，自旋传播的非耗散性质。随着传统半导体尺寸缩小，功耗增加。在某些时候，缩小规模将不再实用。研究人员正在寻找替代基于传统电荷流的晶体管。该设备可能基于自旋电子学。 [RCJ]

评论：

• 随着 MOS 栅极氧化物随着每一代较小的晶体管变薄，过多的栅极泄漏会导致不可接受的功耗和发热。缩小传统半导体几何形状的极限就在眼前。
• 谐振隧道二极管 (RTD)：在 RTD 中采用了会降低传统半导体性能的量子机械效应。电子流过足够薄的绝缘体，是由电子-粒子波二象性的波性质决定的。 RTD 用作放大器。
• 双层隧道晶体管 (Deltt)：Deltt 是 RTD 的晶体管版本。栅极偏置控制电子从一个量子阱穿过薄绝缘体到另一个量子阱（源到漏）的能力。
• 量子点晶体管：能够保持电荷的量子点被薄隧道势垒包围，取代了传统 FET 的栅极。量子点上的电荷控制源漏电流。
• 自旋电子学：电子有两个基本特性：电荷和自旋。传统的电子设备控制电荷流动，耗散能量。自旋电子器件操纵电子自旋，这是一种传播性、非耗散过程。

相关工作表：

• 半导体工作表中的导电