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自旋場效應(yīng)管是什么?特性原理科普-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2021-01-13 

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自旋場效應(yīng)管是什么?特性原理科普-KIA MOS管


自旋場效應(yīng)管解析

自旋場效應(yīng)管(Spin-FET), 也稱為自旋偏振(極化)半導體場效應(yīng)晶體管,這是一種半導體自旋電子器件。


自旋場效應(yīng)管


自旋場效應(yīng)管


工作原理

自旋FET是1990年由Datta和A.Das提出來的。其基本結(jié)構(gòu)見圖示,參與導電的是InAlAs/InGaAs異質(zhì)結(jié)形成的高遷移率二維電子氣(2-DEG);鐵磁電極S和D具有相同的極化方向(即其中電子自旋的取向相同),以注入和收集自旋極化的電子;


柵極電場使溝道中高速運動的電子的自旋發(fā)生進動或轉(zhuǎn)動,當自旋變成反平行時即被D極排斥而不導電——D極排斥作用的強弱決定于自旋進動的程度,從而S-D電流受到柵電壓的控制。


基本結(jié)構(gòu)如下圖所示,這是一個類似三明治的結(jié)構(gòu),兩邊是鐵磁性材料充當自旋相關(guān)載流子的源與漏,中間是由窄帶半導體材料(InA1As)和襯底(InGaAs)形成的二維電子氣。


為了說明這個器件的工作原理,我們可以通過電光效應(yīng)來作類比闡述。圖2是電光效應(yīng)的光學調(diào)制器的示意圖


自旋場效應(yīng)管


自旋場效應(yīng)管


光束通過左邊的起偏器后,入射光就變成了沿與y軸成45°角偏振的線偏振光,它可表示成沿y軸偏振的線偏振光與沿z軸偏振的線偏振光的線性組合。


應(yīng)用

1.因為自旋FET是通過自旋的翻轉(zhuǎn)來控制電流的,所以這種工作方法所需要的能量很低,而且速度也很快(比普通FET通過驅(qū)趕[耗盡]電子的方法要快得多)。


2.這種自旋FET結(jié)構(gòu)促進了自旋電子器件的半導體化,從而可利用先進的微電子工藝技術(shù)、可融合自旋電子器件與光電子器件以及發(fā)展出新型的光學器件(如超快速開關(guān), 可編程的全自旋電子型微處理器);并且最終可望把邏輯、存儲和通信等功能融合在一塊芯片上, 成為新型的多功能電子器件。


3.發(fā)展半導體自旋電子器件可能是開發(fā)量子計算機等量子信息機器的切實可行的途徑,因為量子位是相干疊加狀態(tài), 自旋電子量子位(自旋向上和自旋向下的態(tài)的疊加狀態(tài))比起基于電子電荷的量子位, 在相干性(維持相干疊加狀態(tài)的能力)上可獲得較長的相干時間(由于自旋之間的作用力很弱, 而且是短程力),并且采用n-型半導體可排除空穴自旋的不良影響。


電導特性

自旋場效應(yīng)管中的電導特性與自旋軌道耦合強度、界面勢壘高度以及鐵磁源極與漏極的自旋極化率都有依賴關(guān)系。在考慮Dresselhaus效應(yīng)以后,通過研究表明,在界面勢壘稍高的自旋場效應(yīng)晶體管中電導表現(xiàn)出開關(guān)效應(yīng)。


而且此開關(guān)效應(yīng)既不需要鐵磁源、漏極,也不需要自旋極化的注入。它在很大的程度上依賴于準一維電子氣通道中的相干彈道型輸運。


實際上可以通過調(diào)節(jié)劈裂門電壓來改變Dresselhaus自旋軌道耦合強度從而可對自旋場效應(yīng)晶體管進行開和關(guān)操作。另一方面,在近似歐姆接觸的自旋場效應(yīng)晶體管中有主要起源于Rashba和Dresselhaus自旋進動的顯著的電導調(diào)制。


這個工作已經(jīng)發(fā)表在美國的《應(yīng)用物理快報》上。如果在自旋場效應(yīng)管中加入磁場,電導隨磁場的變化也表現(xiàn)出很好的磁開關(guān)效應(yīng)。


研究還表明,自旋場效應(yīng)管的電導隨中間層半導體的厚度和兩邊鐵磁的磁化方向變化而呈現(xiàn)出明顯的量子振蕩效應(yīng),而且鐵磁和半導體價帶間的匹配性等對電導也有較大影響。


實現(xiàn)自旋FET的困難

1.如何將自旋電流從鐵磁電極S高效率地注入半導體?


——這可利用“磁性半導體”來實現(xiàn),這種半導體可通過較低電壓來控制它在非磁狀態(tài)和鐵磁狀態(tài)這兩種狀態(tài)之間進行轉(zhuǎn)換(自旋開關(guān)),并且可用作為自旋過濾器(讓一種自旋狀態(tài)通過, 阻止另一種自旋狀態(tài)通過)。但是磁性半導體的制備尚不成熟。


2.半導體自旋電子器件對磁性半導體的基本要求是:電子的自旋極化狀態(tài)在穿越半導體或進入另一種材料時, 要能很好地保持不變, 即自旋極化喪失的速度要慢, 自旋電流的極化要能長時間維持——自旋相干時間要長。




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