Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

5.12: Балістичні квантові дротові характеристики струм-напруги FET при T = 0K.

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    31760

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Електростатичні ємності показані на малюнку 5.11.2 за допомогою квантової точкової моделі квантового дроту. У цьому прикладі ми ігноруємо ємності джерела та зливу. Конденсатор затвора був визначений на малюнку 5.10.1 як\(C_{G} = \text{1 aF per nanometer of gate length}\).

    Ми порівнюємо квантові та електростатичні ємності на малюнку 5.12.1, ми виявляємо, що одномодовий провід має відносно мало станів, отже, його квантова ємність невелика, і над краєм смуги він працює в режимі нульового заряду/ізолятора; навіть у стані ON ефекти зарядки незначні, і ми можемо взяти \(U = -qV_{GS}\).

    Скріншот 2021-05-18 о 19.29.38 png
    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Порівняння електростатичної та квантової ємностей показує, що це\(C_{Q} \gg C_{ES}\) тільки на краю зони провідності. Але в міру заповнення каналу зарядом провід повертається в режим ізолятора.

    При прямому ухилі (коли потенціал зливу нижче джерела) існує три режими роботи:

    ВИМКНЕНО:\(V_{GS} < V_{T}\)

    Визначимо порогову напругу як різницю потенціалів між джерелом і мінімальною смугою провідності. Таким чином, в даному прикладі,\(V_{T} = 0.3 V\). Нагадаємо, що потенціал затвора відносно потенціалу джерела. Отже\(V_{GS} < V_{T}\), коли електрони не можуть бути введені з джерела. Отже, струм не може протікати для позитивних напруг стоку. Це вимкнений стан транзистора.

    Зверніть увагу, що струм стоку джерела може протікати,\(T > 0K\) оскільки хвіст розподілу Фермі для електронів у джерелі перекривається станами в дроті. Струм слідує за рівнянням (5.8.6).

    Скріншот 2021-05-18 о 21.05.38.png
    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Енергія лінія для FET в вимкненому стані. Між джерелом і стіком хімічних потенціалів немає станів каналу.

    Лінійний режим:\(V_{GS} > V_{T},\ V_{DS} < V_{GS}-V_{T}\)

    Це відоме як лінійний режим, оскільки струм масштабується лінійно з потенціалом джерела стоку. Рівняння (5.10.6) зводиться до

    \[ I_{DS} = \frac{2q^{2}}{h} V_{DS} \nonumber \]

    Відзначимо, що транзистор демонструє квантову межу провідності в цьому режимі. Його транспровідність, однак, дорівнює нулю.

    Знімок екрана 2021-05-18 о 21.10.33 png
    Малюнок\(\PageIndex{3}\): У лінійному режимі струм обмежується потенціалом стоку джерела.

    Насиченість:\(V_{GS} > V_{T},\ V_{DS} > V_{GS}-V_{T}\)

    Як тільки потенціал зливу перевищить\(V_{GS}-V_{T}\), весь заряд в каналі некомпенсується і нагнітається в дренаж. Таким чином, струм обмежується потенціалом затвора. Це відомо як насичення.

    \[ I_{DS} = \frac{2q^{2}}{h} (V_{GS}-V_{T}) \nonumber \]

    Транспровідність для одномодового проводу по насиченню дорівнює

    \[ g_{m} = \frac{2q^{2}}{h} \nonumber \]

    Знімок екрана 2021-05-18 о 21.13.35 png
    Малюнок\(\PageIndex{4}\): У режимі насичення струм обмежується потенціалом джерела затвора.

    Рисунок 5.21.5 відображає характеристики прямого зміщення транзистора як при T = 0K, так і кімнатній температурі. При кімнатній температурі характеристики визначалися чисельно, оскільки перехід від лінійних до режимів насичення розмивається тепловою активацією електронів вище рівня Фермі.

    Знімок екрана 2021-05-18 о 21.15.40 png
    Малюнок\(\PageIndex{5}\): Характеристики зміщення вперед для квантового дротового транзистора при (a) T = 0K та (b) кімнатній температурі.