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Périphériques quantiques

La plupart des circuits intégrés sont numériques, basés sur des transistors MOS (CMOS). Tous les deux ans depuis la fin des années 1960, un rétrécissement de la géométrie a eu lieu, augmentant la densité du circuit - plus de circuits à moindre coût dans le même espace. Au moment d'écrire ces lignes (2006), la longueur de grille du transistor MOS est de 65 nm pour une production de pointe, avec 45 nm prévu d'ici un an. À 65 nm, les courants de fuite devenaient évidents. À 45 nm, des innovations héroïques étaient nécessaires pour minimiser cette fuite. La fin du retrait des transistors MOS est attendue entre 20 et 30 nm. Bien que certains pensent que 1 à 2 nm est la limite. La photolithographie, ou d'autres techniques lithographiques, continueront de s'améliorer, offrant une géométrie de plus en plus petite. Cependant, les transistors MOS conventionnels ne devraient pas être utilisables dans ces petites géométries inférieures à 20 à 30 nm.

Une photolithographie améliorée devra être appliquée à d'autres dimensions que les transistors classiques (sous 20 à 30 nm). Les courants de fuite MOS répréhensibles sont dus aux effets de la mécanique quantique – effet tunnel des électrons à travers l'oxyde de grille et le canal étroit. En résumé, les effets de la mécanique quantique sont un frein aux transistors MOS conventionnels de plus en plus petits. La voie vers des dispositifs à géométrie toujours plus petite implique des dispositifs actifs uniques qui utilisent concrètement les principes de la mécanique quantique. Comme la géométrie physique devient très petite, les électrons peuvent être traités comme l'équivalent de la mécanique quantique :une onde. Les dispositifs utilisant les principes de la mécanique quantique comprennent les diodes à effet tunnel résonnant, les transistors à effet tunnel quantique, les diodes métalliques à isolant métallique et les transistors à points quantiques.

Tunnel quantique

Tunnel quantique : est le passage des électrons à travers une barrière isolante qui est mince par rapport à la longueur d'onde des électrons de de Broglie. Si « l'onde électronique » est grande par rapport à la barrière, il est possible que l'onde apparaisse des deux côtés de la barrière.

Vue classique d'un électron surmontant ou non une barrière. La vue mécanique quantique permet à un électron de traverser une barrière. La probabilité (en vert) est liée à l'épaisseur de la barrière. Après la figure 1

En physique classique, un électron doit avoir une énergie suffisante pour franchir une barrière. Sinon, il recule de la barrière. (Figure ci-dessus) La mécanique quantique permet une probabilité que l'électron soit de l'autre côté de la barrière. S'il est traité comme une onde, l'électron peut sembler assez gros par rapport à l'épaisseur de la barrière. Même lorsqu'elle est traitée comme une vague, il n'y a qu'une faible probabilité qu'elle se trouve de l'autre côté d'une épaisse barrière. Voir la partie verte de la courbe, figure ci-dessus. L'amincissement de la barrière augmente la probabilité que l'électron se trouve de l'autre côté de la barrière.

Diode tunnel

Diode tunnel : Le terme non qualifié diode tunnel fait référence à la diode tunnel esaki , un des premiers appareils quantiques. Une diode polarisée en inverse forme une région d'appauvrissement, une région isolante, entre l'anode conductrice et la cathode. Cette région d'appauvrissement n'est que mince par rapport à la longueur d'onde des électrons lorsqu'elle est fortement dopée, soit 1000 fois le dopage d'une diode de redressement. Avec une polarisation appropriée, l'effet tunnel quantique est possible. Voir CH 3 pour plus de détails.

Diode à effet tunnel résonnant (RTD)

RTD, diode à effet tunnel résonnant : Il s'agit d'un dispositif quantique à ne pas confondre avec la diode tunnel Esaki, CH 3, un semi-conducteur bipolaire conventionnel fortement dopé. Électrons tunnel à travers deux barrières séparées par un puits dans une source d'écoulement pour drainer dans une diode à effet tunnel résonante . Le tunneling est également connu sous le nom de tunneling mécanique quantique. Le flux d'électrons est contrôlé par la polarisation de la diode. Cela fait correspondre les niveaux d'énergie des électrons dans la source au niveau quantifié dans le puits afin que les électrons puissent tunnel à travers les barrières. Le niveau d'énergie dans le puits est quantifié car le puits est petit. Lorsque les niveaux d'énergie sont égaux, une résonance se produit, permettant le flux d'électrons à travers les barrières comme le montre la figure ci-dessous (b). Aucun biais ou trop de biais, dans les figures ci-dessous (a) et (c) respectivement, ne produit un décalage d'énergie entre la source et le puits, et aucune conduction.

Diode à effet tunnel résonnant (RTD) :(a) Pas de polarisation, niveaux d'énergie de source et de puits non adaptés, pas de conduction. (b) Un petit biais provoque des niveaux d'énergie appariés (résonance); résultats de conduction. (c) Un autre biais ne correspond pas aux niveaux d'énergie, ce qui diminue la conduction.

Au fur et à mesure que la polarisation augmente à partir de zéro dans le RTD, le courant augmente puis diminue, correspondant aux états désactivé, activé et désactivé. Cela rend possible la simplification des circuits à transistors conventionnels en substituant une paire de RTD à deux transistors. Par exemple, deux RTD dos à dos et un transistor forment une cellule mémoire, utilisant moins de composants, moins de surface et de puissance par rapport à un circuit conventionnel. L'application potentielle des RTD est de réduire le nombre de composants, la surface et la dissipation de puissance des circuits à transistors conventionnels en remplaçant certains transistors, mais pas tous. Il a été démontré que les RTD [GEP] oscillent jusqu'à 712 GHz. [ERB]

Transistor à effet tunnel double couche (Deltt)

Transistor à effet tunnel double couche : Le Deltt , autrement connu sous le nom de Transistor à effet tunnel à double couche est constitué d'une paire de puits conducteurs séparés par un isolant ou un semi-conducteur à bande interdite élevée. (Figure ci-dessous) Les puits sont si minces que les électrons sont confinés à deux dimensions. Ceux-ci sont connus sous le nom de puits quantiques . Une paire de ces puits quantiques est isolée par une fine couche de GaAlAs à bande interdite élevée (ne conduit pas facilement). Les électrons peuvent tunnel à travers la couche isolante si les électrons des deux puits quantiques ont la même quantité de mouvement et la même énergie. Les puits sont si fins que l'électron peut être traité comme une onde - la dualité mécanique quantique des particules et des ondes. Les grilles de commande supérieure et inférieure facultative peuvent être ajustées pour égaliser les niveaux d'énergie (résonance) des électrons afin de permettre la conduction de la source au drain. Figure ci-dessous, les barres rouges du diagramme de barrière montrent des niveaux d'énergie inégaux dans les puits, une condition « off-state ». Une polarisation appropriée des grilles égalise les niveaux d'énergie des électrons dans les puits, la condition « à l'état passant ». Les barres seraient au même niveau dans le diagramme de niveau d'énergie.

Le transistor à effet tunnel à double couche (Deltt) est composé de deux puits contenant des électrons séparés par une barrière non conductrice. Les tensions de grille peuvent être ajustées de sorte que l'énergie et la quantité de mouvement des électrons dans les puits soient égales, ce qui permet aux électrons de passer par tunnel à travers la barrière non conductrice. (Les niveaux d'énergie sont indiqués comme inégaux dans le diagramme de barrière.)

Si la polarisation de la grille est augmentée au-delà de celle requise pour l'effet tunnel, les niveaux d'énergie dans les puits quantiques ne correspondent plus, l'effet tunnel est inhibé, le courant source-drain diminue. Pour résumer, l'augmentation du biais de grille à partir de zéro entraîne des conditions d'activation, de désactivation et d'activation. Cela permet d'empiler une paire de Deltt à la manière d'une paire complémentaire CMOS ; cependant, différents transistors de type p et n ne sont pas nécessaires. La tension d'alimentation est d'environ 100 mV. Des Deltts expérimentaux ont été produits et fonctionnent à près de 4,2 K, 77 K et 0° C. Des versions à température ambiante sont attendues.[GEP] [IGB] [PFS]

Métal-Isolant-Isolant-Métal (MIIM)

Diode MIIM : Le métal-isolant-isolant-métal La diode (MIIM) est un dispositif à effet tunnel quantique, non basé sur des semi-conducteurs. Voir la figure ci-dessous « Section des diodes MIIM ». Les couches isolantes doivent être minces par rapport à la longueur d'onde des électrons de de Broglie, pour que l'effet tunnel quantique soit possible. Pour l'action de la diode, il doit y avoir une direction d'effet tunnel préférée, ce qui entraîne une forte courbure de la courbe caractéristique directe de la diode. La diode MIIM a une courbe directe plus nette que la diode à isolant métallique (MIM), qui n'est pas prise en compte ici.

Diode métallique isolante isolante métallique (MIIM) :section transversale de la diode. Niveaux d'énergie pour l'absence de biais, le biais direct et le biais inverse. Après la figure 1.

Les niveaux d'énergie de M1 et M2 sont égaux dans la figure « pas de biais » ci-dessus. Cependant, les électrons (thermiques) ne peuvent pas circuler en raison des barrières élevées I1 et I2. Les électrons dans le métal M2 ont un niveau d'énergie plus élevé en « polarisation inverse » Figure ci-dessus, mais ne peuvent toujours pas surmonter la barrière isolante. Au fur et à mesure que le chiffre du « biais vers l'avant » est augmenté, un puits quantique , une zone où des électrons peuvent exister, se forme entre les isolants. Les électrons peuvent traverser l'isolant I1 si M1 est basé au même niveau d'énergie que le puits quantique. Une explication simple est que la distance à travers les isolateurs est plus courte. Une explication plus longue est que lorsque le biais augmente, la probabilité que l'onde électronique se chevauche de M1 au puits quantique augmente. Pour une explication plus détaillée, voir Phiar Corp. [PHI]

Les dispositifs MIIM fonctionnent à des fréquences plus élevées (3,7 THz) que les transistors micro-ondes. [RCJ3] L'ajout d'une troisième électrode à une diode MIIM produit un transistor.

Transistor à points quantiques

Transistor à points quantiques : Un conducteur isolé peut prendre une charge, mesurée en coulombs pour les gros objets. Pour un conducteur isolé à l'échelle nanométrique appelé point quantique , la charge est mesurée en électrons. Une boîte quantique de 1 à 3 nm peut prendre une charge incrémentielle d'un seul électron. C'est la base du transistor à points quantiques , également connu sous le nom de transistor à électron unique .

Une boîte quantique placée au sommet d'un isolant mince sur une source riche en électrons est connue sous le nom de boîte à électrons unique . (Figure ci-dessous (a)) L'énergie nécessaire pour transférer un électron est liée à la taille du point et au nombre d'électrons déjà présents sur le point.

Une électrode de grille au-dessus du point quantique peut ajuster le niveau d'énergie du point de sorte que l'effet tunnel mécanique quantique d'un électron (sous forme d'onde) de la source à travers l'isolant soit possible. (Figure ci-dessous (b)) Ainsi, un seul électron peut atteindre le point.

(a) Boîte à électrons unique, une boîte quantique isolée séparée d'une source d'électrons par un isolant. (b) Une charge positive sur la grille polarise le point quantique, faisant passer un électron de la source au point. (c) Transistor quantique :le canal est remplacé par une boîte quantique entourée d'une barrière tunnel.

Si la boîte quantique est entourée d'une barrière tunnel et intégrée entre la source et le drain d'un FET conventionnel, comme dans la figure ci-dessus (c), la charge sur la boîte peut moduler le flux d'électrons de la source au drain. À mesure que la tension de grille augmente, le courant source-drain augmente, jusqu'à un certain point. Une augmentation supplémentaire de la tension de grille diminue le courant de drain. Ceci est similaire au comportement des dispositifs résonants RTD et Deltt. Un seul type de transistor est nécessaire pour construire une porte logique complémentaire.[GEP]

Transistor à électron unique

Transistor à électron unique : Si une paire de conducteurs, supraconducteurs ou semi-conducteurs sont séparés par une paire de barrières tunnel (isolant), entourant un minuscule îlot conducteur, comme une boîte quantique, le flux d'une seule charge (une paire de Cooper pour les supraconducteurs) peut être contrôlé par une porte. Il s'agit d'un transistor à un seul électron similaire à la figure ci-dessus (c). L'augmentation de la charge positive sur la grille permet à un électron de pénétrer dans l'îlot. S'il est suffisamment petit, la faible capacité entraînera une augmentation substantielle du potentiel du point en raison de l'électron unique. Plus aucun électron ne peut atteindre l'île en raison de la charge électronique. C'est connu au blocus de Coulomb . L'électron qui s'est dirigé vers l'île peut se diriger vers le drain.

Les transistors à un seul électron fonctionnent à un niveau proche du zéro absolu. L'exception est le transistor à électrons uniques au graphène, ayant un îlot de graphène. Ce sont tous des dispositifs expérimentaux.

Graphène et transistor à nanotubes de carbone

Transistor au graphène : Le graphite, un allotrope du carbone, n'a pas la structure cristalline rigide imbriquée du diamant. Néanmoins, il a une structure cristalline d'un atome d'épaisseur, ce qu'on appelle une structure bidimensionnelle. Un graphite est un cristal tridimensionnel. Cependant, il se scinde en feuilles minces. Les expérimentateurs, poussant cela à l'extrême, produisent des grains de la taille d'un micron aussi minces qu'un seul atome connu sous le nom de graphène . (Figure ci-dessous (a)) Ces membranes ont des propriétés électroniques uniques. Très conductrice, la conduction se fait soit par des électrons, soit par des trous, sans dopage d'aucune sorte. [AKG]

Des feuilles de graphène peuvent être découpées en structures de transistors par des techniques lithographiques. Les transistors ressemblent un peu à un MOSFET. Une porte couplée capacitivement à un canal de graphène contrôle la conduction.

À mesure que les transistors au silicium évoluent vers des tailles plus petites, les fuites augmentent avec la dissipation de puissance. Et ils deviennent plus petits tous les deux ans. Les transistors au graphène dissipent peu de puissance. Et, ils basculent à grande vitesse. Le graphène pourrait un jour remplacer le silicium.

Le graphène peut être transformé en dispositifs aussi petits que soixante atomes de large. Les points quantiques de graphène dans un transistor aussi petit servent de transistors à électron unique . Les précédents transistors à électron unique fabriqués à partir de supraconducteurs ou de semi-conducteurs conventionnels fonctionnent près du zéro absolu. Les transistors à un seul électron au graphène fonctionnent uniquement à température ambiante.[JWA]

Les transistors au graphène sont des curiosités de laboratoire en ce moment. Si elles doivent entrer en production dans deux décennies, des plaquettes de graphène doivent être produites. La première étape, la production de graphène par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) a été réalisée à l'échelle expérimentale. Cependant, aucune plaquette n'est disponible à ce jour.

(a) Graphène :Une seule feuille du graphite allotrope du carbone. Les atomes sont disposés selon un motif hexagonal avec un carbone à chaque intersection. (b) Nanotube de carbone :une feuille de graphène enroulée.

Transistor à nanotubes de carbone : Si une feuille de graphène 2D est roulée, la structure 1D résultante est connue sous le nom de nanotube de carbone . (Figure ci-dessus (b)) La raison de le traiter comme unidimensionnel est qu'il est hautement conducteur. Les électrons traversent le nanotube de carbone sans être diffusés par un réseau cristallin. La résistance dans les métaux normaux est causée par la diffusion des électrons par le réseau cristallin métallique. Si les électrons évitent cette diffusion, la conduction est dite par transport balistique . Des nanotubes de carbone métalliques (agissants) et semi-conducteurs ont été produits. [MBR]

Les transistors à effet de champ peuvent être fabriqués à partir de nanotubes de carbone en déposant des contacts de source et de drain sur les extrémités, et en couplant capacitivement une grille au nanotube entre les contacts. Des transistors de type p et de type n ont été fabriqués. Pourquoi l'intérêt pour les transistors à nanotubes de carbone ? Les semi-conducteurs à nanotubes sont plus petits, plus rapides et moins puissants que les transistors au silicium. [PNG]

Spintronique

Spintronique : Les semi-conducteurs conventionnels contrôlent le flux de charge électronique, le courant. Les états numériques sont représentés par un flux de courant « activé » ou « désactivé ». À mesure que les semi-conducteurs deviennent plus denses avec le passage à une géométrie plus petite, la puissance qui doit être dissipée sous forme de chaleur augmente au point qu'elle est difficile à éliminer. Les électrons ont des propriétés autres que la charge comme le spin. Une explication provisoire du spin des électrons est la rotation de la charge électronique distribuée autour de l'axe de rotation, analogue à la rotation diurne de la Terre. Les boucles de courant créées par le mouvement des charges forment un champ magnétique. Cependant, l'électron ressemble plus à une charge ponctuelle qu'à une charge distribuée. Ainsi, l'analogie de charge distribuée rotative n'est pas une explication correcte du spin. Le spin électronique peut avoir l'un des deux états :haut ou bas qui peut représenter des états numériques. Plus précisément, le nombre quantique de spin (ms) peut être ± 1/2 du nombre quantique de moment angulaire (l). [DDA]

Le contrôle du spin des électrons au lieu du flux de charge réduit considérablement la dissipation de puissance et augmente la vitesse de commutation. Spintronique , acronyme de SPIN TRansport electrONICS, n'est pas largement appliqué en raison de la difficulté de générer, de contrôler et de détecter le spin des électrons. Cependant, une mémoire de spin magnétique non volatile à haute densité est en cours de production à l'aide de procédés semi-conducteurs modifiés. Ceci est lié à la valve d'essorage tête de lecture magnétique utilisée dans les disques durs informatiques, non mentionnée plus loin ici.

Une simple jonction tunnel magnétique (MTJ) est montré dans la figure ci-dessous (a), consistant en une paire de ferromagnétiques , de fortes propriétés magnétiques comme le fer (Fe), couches séparées par un isolant mince. Les électrons peuvent tunnel à travers un isolant suffisamment mince en raison des propriétés mécaniques quantiques des électrons – la nature ondulatoire des électrons. Le flux de courant à travers le MTJ est fonction de l'aimantation, de la polarité du spin, des couches ferromagnétiques. La résistance du MTJ est faible si le spin magnétique de la couche supérieure est dans la même direction (polarité) que la couche inférieure. Si les spins magnétiques des deux couches s'opposent, la résistance est plus élevée. [WJG]

(a) Jonction tunnel magnétique (MTJ) :paire de couches ferromagnétiques séparées par un isolant mince. La résistance varie avec la polarité de magnétisation de la couche supérieure (b) L'aimant de polarisation antiferromagnétique et la couche ferromagnétique inférieure goupillée augmentent la sensibilité de la résistance aux changements de polarité de la couche ferromagnétique supérieure. Adapté de [WJG] Figure 3.

Le changement de résistance peut être amélioré par l'ajout d'un antiferromagnétique , matériau ayant des spins alignés mais opposés, sous la couche inférieure de la figure ci-dessus (b). Cet aimant de biais broches la couche ferromagnétique inférieure tourne à une seule polarité invariable. L'aimantation de la couche supérieure (spin) peut être inversée pour représenter les données par l'application d'un champ magnétique externe non représenté sur la figure. La couche épinglée n'est pas affectée par les champs magnétiques externes. Encore une fois, la résistance MTJ est la plus faible lorsque le spin de la couche ferromagnétique supérieure a le même sens que la couche ferromagnétique bloquée inférieure. [WJG]

Le MTJ peut être encore amélioré en divisant la couche ferromagnétique épinglée en deux couches séparées par une couche tampon sur la figure ci-dessous (a). Cela isole la couche supérieure. La couche ferromagnétique inférieure est épinglée par l'antiferromagnétique comme sur la figure précédente. La couche ferromagnétique au sommet du tampon est attirée par la couche ferromagnétique inférieure. Les contraires s'attirent. Ainsi, la polarité de spin de la couche supplémentaire est opposée à celle de la couche inférieure en raison de l'attraction. Les couches ferromagnétiques inférieure et médiane restent fixes. La couche ferromagnétique supérieure peut être réglée sur l'une ou l'autre polarité de spin par des courants élevés dans des conducteurs proches (non représentés). C'est ainsi que les données sont stockées. Les données sont lues par la différence de flux de courant à travers la jonction tunnel. La résistance est la plus faible si les couches des deux côtés de la couche isolante ont le même spin. [WJG]

(a) La division de la couche ferromagnétique bloquée de (b) par une couche tampon améliore la stabilité et isole la couche ferromagnétique supérieure non bloquée. Les données sont stockées dans la couche ferromagnétique supérieure en fonction de la polarité du spin (b) Cellule MTJ intégrée dans les lignes de lecture d'une puce semi-conductrice - l'une des nombreuses MTJ. Adapté de [IBM]

Un réseau de jonctions tunnel magnétiques peut être intégré dans une plaquette de silicium avec des conducteurs reliant les bornes supérieure et inférieure pour lire les bits de données des MTJ avec des circuits CMOS conventionnels. Un tel MTJ est représenté sur la figure ci-dessus (b) avec les conducteurs de lecture. Non représenté, un autre réseau croisé de conducteurs transportant de forts courants d'écriture commute le spin magnétique de la couche ferromagnétique supérieure pour stocker des données. Un courant est appliqué à l'un des nombreux conducteurs « X » et à un conducteur « Y ». Un MTJ dans le réseau est magnétisé sous le croisement des conducteurs. Les données sont lues en détectant le courant MTJ avec des circuits semi-conducteurs en silicium conventionnels. [IBM]

La principale raison de l'intérêt pour la mémoire à jonction tunnel magnétique est qu'elle est non volatile . Il ne perd pas de données lorsqu'il est mis hors tension. D'autres types de mémoire non volatile ne sont capables que de cycles de stockage limités. La mémoire MTJ est également plus rapide que la plupart des types de mémoire à semi-conducteur. C'est maintenant (2006) un produit commercial. [TLE]

Ce n'est pas un produit commercial, ni même un appareil de laboratoire, le transistor de spin théorique qui pourrait un jour rendre possibles les portes logiques de spin. Le transistor de spin est un dérivé de la diode de spin théorique. On sait depuis un certain temps que les électrons circulant à travers un ferromagnétique cobalt-fer deviennent polarisés en spin. Le ferromagnétique agit comme un filtre passant préférentiellement les électrons d'un spin. Ces électrons peuvent circuler dans un conducteur non magnétique adjacent (ou semi-conducteur) en conservant la polarisation de spin pendant une courte durée, quelques nanosecondes. Cependant, les électrons polarisés en spin peuvent se propager sur une distance considérable par rapport aux dimensions des semi-conducteurs. Les électrons polarisés en spin peuvent être détectés par une couche ferromagnétique nickel-fer adjacente au semi-conducteur. [DDA] [RCJ2]

Il a également été montré que la polarisation du spin des électrons se produit lorsque la lumière polarisée circulairement illumine certains matériaux semi-conducteurs. Ainsi, il devrait être possible d'injecter des électrons polarisés en spin dans une diode ou un transistor semi-conducteur. L'intérêt des transistors et des grilles à spin est dû à la nature non dissipative de la propagation du spin, par rapport au flux de charge dissipatif. À mesure que la taille des semi-conducteurs conventionnels est réduite, la dissipation de puissance augmente. À un moment donné, la réduction ne sera plus pratique. Les chercheurs recherchent un remplaçant pour le transistor conventionnel basé sur le flux de charge. Ce dispositif peut être basé sur la spintronique. [RCJ]

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