بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله براي اولین بار، شبیه سازي انتقال الکترونیکی وابسته به اسپین در یک ترانزیستور تک الکترونی مغناطیسی بوسیله یک روش کاملا جدید و سریع انجام می گیرد. در این روش معادلات مستر و حالت فضایی دوبعدي که هردو درجه آزادي اسپین و بار الکتریکی مربوط به ذره را شامل می شود، لحاظ گردیده است. نتایج شبیه سازي در حالت هاي گوناگون براي ترانزیستور ها با ابعاد متفاوت و سورس و درین با پلاریزه هاي مختلف در تانل زنی پی در پی نشان داده شده است.علاوه بر دقت نتایج، اختلاف جریان در دو مد کاري این ترانزیستور ها نیز بررسی شده است.
-1 مقدمه
طبق قانون Moore تعداد ترانزیستورهاي هر چیپ در عرض دو سال دوبرابر می شود. مطمئنا این کوچک سازي براثر تلفات و پایداري ادوات درابعادنانومتري بزودي متوقف می شود. از این رو ، بیشتر تلاش تکنولوژي وعلم رسیدن به ادوات باساختار سیلیکونی که اندازه آنها می تواند کوچکتر شود می باشد. کشف اثر - Gaint magnetroresistance - GMR یک گام مهم در کوچکترسازي ادوات الکترونیکی بود. این اثر به علت وجود یک درجه آزادي اضافی الکترون علاوه بر بارآن یعنی اسپین ذره ظاهر می شود. این اثر در سال 1988در ساختارهاي لایه اي سه بعدي فرو مغناطیسی که توسط لایه هاي فلزي غیر مغناطیسی جدا شده اند مشاهده شد .[2-1]
این اثر در چنین ساختار هایی منجر به وابستگی مقاومت الکتریکی لایه هاي مغناطیسی-فلزي به حالت مغناطیسی این لایه ها میگردد. معمولا مطابق شکل1 مقاومت الکتریکی در اثر تغییر ساختار مغناطیسی از حالت غیر موازي، راستاي مغناطیسی الکترود هاي خارجی مخالف یکدیگر باشد، به حالت موازي، راستاي مغناطیسی الکترود هاي خارجی هم جهت باشد، افت می کند.[4-1] یک اثر مشابه GMR در سال 1975 توسط Julliere در پیوندهاي سطحی مغناطیسی کشف شد .[15-13] کاربرد این ساختار امروزه در حافظه هاي مغناطیسی با قابلیت دسترسی رندم و ادوات اسپین الکترونیک فوق العاده مورد توجه است. این ساختار به نام ترانزیستورهاي تک الکترونی فرومگنتیک شناخته می شود. اساس ساختار آنها مشابه ترانزیستور هاي تک الکترونی می باشد.
ساختار ترانزیستورهاي تک الکترونی بشکل دوتا سد پتانسیل متوالی جدا کننده یک الکترود مرکزي، جزیره، از دو الکترود خارجی می باشد. در این ترانزیستور ها الکترون ها یکی یکی در میان سیستم جریان می یابند، از این رو عبور الکترون ها درچنین سیستمی به وسیله ولتاژ گیت به سادگی قابل کنترل می باشد. ساختار ترانزیستورهاي تک الکترونی فرو مگنتیک نیز بشکل دوتا سد پتانسیل متوالی جدا کننده یک جزیره از دو الکترود خارجی فرومگنتیک می باشد. به علت غیر یکسان بودن میزان اسپین ها در سطح فرمی فلزات فرو مگنتیک، انتقال الکترونی پلاریزه در چنین ساختارهایی از فلزات فرو مگنتیک مشاهده می شود.
در بخش دوم علاوه برمعرفی روش استفاده شده براي مدل سازي این نوع ترانزیستور و بدست آوردن منحنی مشخصه آن، اصول اساسی مربوط به انتقال الکترون مطرح و محدودیت هاي موجود بحث می شود. با استفاده از معادلات مستر روابط مربوط به محاسبه جریان الکتریکی در بخش سوم توصیف می گردد. سپس سري معادلات سریع و جدید نیز در بخش چهارم شرح داده شده است ودر نهایت شرح نتایج شبیه سازي و به دنبال آن شکل ها و نتایج شبیه سازي نشان داده شده است.
-2 توضیح تئوري
به جهت برقراري جریان دراین نوع ترانزیستور هردو اسپین شرکت دارند و بر قراري جریان به صورت پرش الکترون ها با یک اسپین خاص از سورس به داخل حالت پر نشده مربوط به همان نوع اسپین در درین صورت می گیرد .[ 7 ] عموما از مدل مداري مطابق شکل 2 براي شماتیک چنین ادواتی استفاده می شود. همان طور که در این مدل مشخص است در ساختار این ترانزیستور سه ظرفیت خازنی قابل ملاحظه وجود دارد.
نوع دوم رژیم تانل زنی هم زمان می باشد که امکان شرکت یک یا دو و یا تعداد بیشتر الکترون به طور هم زمان در فرآیند تونل زنی وانتقال میان حالت ها وجود دارد. همچنین نوع سوم تزویج قوي است که زوج شده گی قوي میان جزیره و الکترودها منجر به از بین رفتن کارایی تئوري اختلال در این رژیم می شود. دررژیم زوج شده گی قوي فرآیند تونل زنی منجر به روابط لگاریتمیک براي رسانایی می شود .[20]
با بر قراري شرط - 1 - می توان از میان سه رژیم تانل زنی پی در پی، هم زمان و تزویج قوي از نوع هم زمان و تزویج قوي چشم پوشی کرد و تنها وجود رژیم تانل زنی پی در پی را فرض نمود. باید توجه داشت تنها در رژیم تانل زنی پی در پی اختلال درجه یک را می توان فرض نمود و از رابطه بدست آمده به عنوان قانون طلایی فرمی براي محاسبه آهنگ تانل زنی تک الکترون استفاده نمود اما در رژیم تانل زنی هم زمان باید از اختلال درجه دوم در کوانتم مکانیک براي محاسبه آهنگ تانل زنی تک الکترون از میان پیوند هاي تانلی استفاده نمود.
