بخشی از مقاله
چکیده
ترابرد الکترونی اسپین وابسته ترانزیستور الکترون منفرد با الکترود های فرو مغناطیس و حوزه نامغناطیسی بصورت تئوری با تونل زنی ترتیبی در حد واهلش اسپین آرام مورد بررسی قرار می گیرد. برای این کار از روش معادله جامع1 استفاده می گردد. مقاومت مغناطیسی تونلی، قطبش مغناطیسی حوزه، قطبش اسپینی جریان ایجاد شده به عنوان تابعی از ولتاژ بایاس و ولتاژ گیت بیان می گردند
.1 مقدمه
ساختار اصلی ترانزیستور الکترون منفرد بوسیله قرار دادن دو پیوندگاه - اتصال - تونلی بصورت سری کنار یکدیگر بوجود می آید. قطعه رسانا که بین دو پیوندگاه تونلی قرار می گیرد، حوزه - دانه یا نقطه - نام دارد. این سیستم SED - سیستم تک الکترون - نامیده می شود زیرا در یک زمان تنها یک الکترون می تواند از یک طرف به طرف دیگر انتقال یابد. بنابراین در SED، ترابرد بار در ماهیت گسسته است. اکنون اگر ورودی گیت را که با حوزه بوسیله یک دی الکتریک ضخیم - تیره - کوپل شده، حامل دار کنیم، سیستم سه ورودی حاصله، بصورت ترانزیستور تک الکترون رفتار می کند. یک SET - ترانزیستور تک الکترون - وسیله ای است که بر تونل زنی الکترون منفرد از میان یک پیوندگاه نانو مقیاس وابسته است.
تونل زنی الکترون ها بدلیل ساختار منحصربفرد که شامل دو پیوندگاه تونل زنی و یک حوزه رسانش است از میان کانال بصورت یک به یک انجام می گیرد و بدلیل خاصیت ترابرد تونل زنی منحصر بفرد در این ترانزیستورها، انرژی الکترون از بین نمی رود و هیچ گرمایی تولید نمی شود. بررسی ترابرد الکترونی در این نوع تراتزیستورها قبلا توسط گروههای مختلف زیادی انجام گرفته است اما این بررسی ها بجزچند مورد به ترانزیستورهای تک الکترون نا مغناطیسی محدود شده است. بنابراین در این کار هدف ما مطالعه مشخصه های ترابردی ترانزیستور های تک الکترون فرو مغناطیسی می باشد. برای این کار روش معادله جامع استفاده می شود و فرض می گردد که سیستم دارای الکترود های خارجی فرومغناطیس و حوزه نامغناطیسی می باشد.
.2 مدل
سیستم مطالعه شده در این مقاله ترانزیستور تک الکترون فرومغناطیس با الکترودهای خارجی فرومغناطیس و یک حوزه نامغناطیس می باشد که می تواند دو ساختار مغناطیسی موازی و آنتی موازی به طوری که در شکل 1 نشان داده شده است داشته باشد. در ساختار موازی ممان های مغناطیسی الکترودهای خارجی هم جهت هستند در حالی که در ساختار غیر موازی آن ها غیر هم جهت اند. زمانی که یک ولتاژ بایاس به الکترودهای اول و دوم اعمال شود الکترون ها می توانند از میان سدها تونل بزنند و یک جریان ایجاد کنند. همچنین اعمال یک ولتاژ گیت V g به حوزه باعث تغییر خصوصیات ترابردی سیستم میشود.
در این کار فرض می شود که مقاومت هر دو سد خیلی بزرگ تر از مقاومت کوانتومی باشند، Ri RQ h / e 2 با - i 1, 2 - ، یعنی نوع تونل زنی می تواند ترتیبی می باشد و بار روی حوزه جایگزیده گی خوبی دارد و تئوری تونل زنی اورتودکس قابل کاربرد است. تنها پروسههای تونل زنی اسپین پایسته در میان دو سد در نظر گرفته می شوند. به علاوه فرض می شود که حوزه نسبتا بزرگ است یعنی اثرهای ناشی از کوانتیزش ترازهای انرژی متناظر می تواند صرف نظر شود.
شکل:1 ترانزیستور الکترون منفرد فرومغناطیس در نظر گرفته شده. الکترود های خارجی فرو مغناطیس هستند و حوزه نامغناطیس می باشد. ساختار مغناطیسی موازی و ناموازی نیز مشخص شده اند.
برای محاسبه جریان الکتریکی از روش معادله جامع استفاده می شود که در آن آهنگ گذار خالص بین حالت های بار با n وn+1 الکترون اضافی در حالت پایا صفر می شود. بنابراین احتمال P n , V برای یافتن حوزه در حالتی با n الکترون اضافی هنگام اعمال ولتاژ بایاس V می تواند با استفاده از رابطه بازگشتی زیر تعیین گردد:
که درآن e اندازه بار الکترون - e>0 - می باشد. در حالت پایا - . I 2 - V - I 1 - V - I - V همچنین فرض می کنیم که بایاس مثبت متناظر با جریان عبوری از پیوندگاه اول - - i=1 به پیوندگاه دوم - - i=2 می باشد. در زیر ما فرض می کنیم که زمان واهلش انرژی خیلی کوچکتر از زمان بین دو حادثه تونل زنی موفق باشد، در حالی که هیچ محدودیت این چنینی روی زمان واهلش اسپین تحمیل نمی شود.
3. نتایج
مقاومت مغناطیسی تونلی - TMR - به صورت کمی به وسیله - Rap توصیف می شود که در آن R p و Rap مقاومت های کل سیستم به ترتیب در ساختارهای موازی و غیرموازی هستند. در مورد ترانزیستور تک الکترون فرومغناطیس با حوزه های نامغناطیسی، TMR غیر صفر تنها زمانی می تواند وجود داشته باشد که زمان واهلش اسپین به اندازه کافی بزرگتر از زمان بین دو تونل زنی باشد.
در این وضعیت ممان مغناطیسی غیر تعادلی بر روی حوزه به دلیل انباشتگی اسپین ایجاد خواهد شد و این ممان علت رخداد TMR خواهد بود به عبارتی حوزه در یک وضعیت غیر تعادلی مغناطیده می شود و ممان های ایجاد شده تنها به ولتاژهای گیت و بایاس بستگی دارند. در حد واهلش اسپین آرام - به صورت خیلی دقیق در حد زمان واهلش اسپین نامحدود - تفکیک تراز فرمی می تواند به صورت خودسازگار از شرط پایستگی جریان برای هر جهت گیری اسپین به صورت مجزا تعیین شود، آن جا I1 و I 2 به ترتیب جریان های عبوری از پیوندگاه های اول و دوم در کانال اسپین می باشند.
شرط بالا محاسبه خودسازگار شیف ترازهای انرژی برای هر دو جهت گیری اسپین را اجازه می دهد. از آن جا که چگالی حالت ها در تراز فرمی بر روی حوزه نامغناطیس مستقل از جهت گیری اسپین است فرض میکنیم که E F E F باشد و همچنین در حوزه های نامغناطیس مقاومت ها در ساختار ناموازی R1,ap R1,p و R 2p, R 2a,p هستند. شکل 2 مشخصه های ترابرد سیستم را به عنوان تابعی از ولتاژ بایاس محاسبه شده در حد واهلش اسپین آرام نشان می دهد.
تفکیک تراز فرمی در شکل - 2الف - برای هر دو ساختار مغناطیسی نمایش داده شده است. واضح است که تفکیک تنها در جهت گیری غیر موازی صورت می پذیرد در حالی که برای جهت گیری موازی هیچ تفکیکی وجود ندارد. این تنها زمانی درست است که هر دو پیوندگاه ها به وسیله فاکتورهای نامتقارن اسپینی یکسان مشخص شوند. زمانی که نامتقارنی های اسپینی متفاوت باشند، انباشتگی اسپینی در ساختار موازی نیز اتفاق می افتد. به طوری که از شکل - 2الف - دیده شود، رفتار تفکیک تراز فرمی با افزایش ولتاژ ترابرد می تواند به دو مولفه تجزیه شود یک مولفه به طور یکنواخت افزایش می یابد در حالی که مولفه دوم با افزایش V نوسان می کند.
