СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №6/2014

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 15 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 6 2014 Напряжённость электрического поля в данном твёрдовакуумном наномире является комплексной величиной, зави- сящей от волновой энергии поляризо- ванных молекул GaAs (диполей) и внеш- него поля (при приложении, допустим, напряжения порядка 0,1 В поле дости- гает значений, близких к общеприня- тым критическим значениям электро- прочности в GaAs, т.е. ≈ 2,5 × 10 5 В/см, хотя в твердовакуумном кулоновском мире – всё далеко не так просто). В сильных полях наклон энергетиче- ских зон Е С и Е V (cм. рис. 4) ограничен критической напряжённостью поля, которая связана с лавинным рассеяни- ем электронов на электронных, опти- ческих и акустических фононах. При сверхмалых длинах пробега, характерных для безрассеянного про- бега электронов в волновом энергети- ческом пространстве, таких как 40…45 Å (0,40…0,45 нм) в GaAs и менее, понятие «критическая напряжённость поля» теряет смысл. В этом случае энергетический наклон зон может оказаться в пределах энер- гетической прозрачности перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости, что в физике называ- ют эффектом туннелирования. На рисунке 4 (а и б) показаны энерге- тические диаграммы полупроводника при разных значениях сильных элек- трических полей, которые качественно демонстрируют процесс туннелирова- ния валентных электронов в зону про- водимости. Из диаграммы (см. рис. 4) очевидно, что вероятность туннелирования элек- тронов ρ в случае (б) значительно выше, чем в случае (а), т.е. ρ 2 >> ρ 1 ( Е 2 >> Е 1 ). Вероятность туннельного перехода электрона будет пропорциональна экс- поненциальному множителю: где Е – величина приложенного элек- трического поля, а Е 0 – постоянная напряжённости электрического поля, зависящая от ширины запрещённой зоны Е q (эВ), экстремумов в зоне Брил- люэна, эффективной массы m r носите- лей [3] и оценивается по формуле: , (10) где – приведённая эф- фективная масса электронов и дырок, – круговая постоянная Планка. В источнике [3] приводится рас- чётное значение Е 0 при Е q = 1,0 эВ и m r ≈ 0,1 × m 0 , которое равно E 0 ≈ 10 7 В/см. Логика безрассеянного дрейфа при- водит к тому, что значения 10 7 В/см и выше – вполне достижимы, тем более что в GaAs, несмотря на то, что шири- на запрещённой зоны E q ≈ 1,43 эВ, зна- чения E 0 маловероятно будут превы- шать 10 7 В/см из-за сильной поляри- зации молекулы GaAs. В кремнии, очевидно, значение E 0 будет близко к 10 7 В/см или немного выше, а в SiC и GaN значение Е 0 , вероят- но, будет стремиться к значениям, близ- ким к 10 8 В/см. В GaAs при расстояни- ях безрассеянного пробега электрона ≤ 40…45 Å при приложенном напряже- нии U  10 В можно ожидать с огром- ной долей вероятности переход валент- ных электронов в зону проводимости, скорее всего, это произойдёт в пер- вую очередь из-за ионизации атома As, имеющего более пространственно размерную орбитальную группировку валентных электронов. Туннельную генерацию валентных электронов можно также стимулиро- вать комбинацией энергетических воз- действий сверхбольших электрических полей и высокой энергией падающе- го в объём GaAs высокоэнергетичного кванта (фотона), допустим, рентгенов- ского фотона (с ν  10 3 эВ). Указанная энергетическая иониза- ция валентной зоны открывает воз- можность увеличения плотности носителей заряда в GaAs до плотности, близкой к 2,41 × 10 22 см –3 или выше, что приведёт к признакам сверхпроводи- мости. В данном случае ещё раз под- черкнём, что речь идёт о наноразмер- ном GaAs пространстве объёмом не выше либо равным 65…90 нм 3 (в слу- чае элементарного объёмного куба), или 65…90 × 10 –27 м 3 . Следовательно, наноразмерная бал- листика в сильных электрических полях – это явление комнатной над- проводимости, которое нереализуемо в металлах. Энергетические возмож- ности такой нано-/субнанобаллисти- ки самые невероятные, от холодного катода (энергия носителей, превы- шающая работу выхода электронов в вакуум в GaAs ≈ 4,3 эВ), до десятков и сотен тысяч электронвольт, харак- терных вплоть до жёсткого рентгенов- ского излучения, которое можно будет использовать, в частности, для замены углеводородной энергетики на водо- родную, для создания феноменаль- ных компьютеров и высокоэффек- тивного холодного катода. Техниче- ские и технологические инструменты в США и Европе позволяют присту- пить к реализации данной задачи уже в 2015 году. 5. Фотонная проводимость, харак- терная при прохождении электро- магнитной волны через i-диэлектрик (электромагнитный волновод). Фотонная проводимость – это перенос электромагнитной энергии с фотонной скоростью C/n в GaAs (где n – показатель оптического прелом- ления). Без вброса зарядовой массы (электронов) извне LPE i-GaAs пред- ставляет собой диэлектрическую сре- ду ( ε = 10,9). Слой i-GaAs при приложе- нии к нему потенциала в простейшем случае – это ёмкость С с удельным зна- чением пФ/мм 2 при толщи- нах i -слоя в несколько десятков микро- метров. При приложении внешнего поля к такому «конденсатору» поля- ризованные молекулы GaAs выстраи- ваются по силовым линиям, образуя диэлектрические диполи с перекры- вающимися волновыми энергетиче- скими функциями, по которым рас- пространяется фотонная (электромаг- нитная) волна со скоростью . Электронов до поры до времени нет, и нет «тормозов» для прохождения фотонной волны в i-GaAs. Поэто- му комплексное сопротивление LPE i-слоя Z до определённых частот, близ- ких к 10 14 Гц (пограничных инфра- красных волн), можно оценивать по школьным учебникам: , (11) где ω – круговая частота фотона. Исходя из формулы (1) и энергетиче- ской зонной диаграммы на рисунке 2, можно прогнозировать, что форму- ла (11), характеризующая фотонную проводимость LPE i-GaAs (Si) слоя E v E v E C E C ρ 1 ρ 2 а б Рис. 4. Диаграмма энергетических зон в полупроводнике, когда E 1 (а) << Е 2 (б) (Е – приложенное электрическое поле)