Università degli Studi di Firenze
Download
1 / 18

“ Dispositivi ad Effetto Tunnel Risonante per - PowerPoint PPT Presentation


  • 179 Views
  • Uploaded on

Università degli Studi di Firenze. Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni. Microelectronics Laboratory. Tesi di Laurea in Ingegneria Elettronica. “ Dispositivi ad Effetto Tunnel Risonante per Applicazioni alla Spintronics”.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' “ Dispositivi ad Effetto Tunnel Risonante per' - roana


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript

Università degli Studi di Firenze

Dipartimento

di

Elettronica

e Telecomunicazioni

Microelectronics

Laboratory

Tesi di Laurea in Ingegneria Elettronica

“Dispositivi ad Effetto Tunnel Risonante

per

Applicazioni alla Spintronics”

Sara Bernardis

Prof. G. Manes

Prof. G. Frosali

Ing. A. Cidronali

Firenze, 28 Aprile 2005


Obiettivi

Parte Sperimentale

Diodo tunneling risonante interbanda costituito da una eterostruttura asimmetrica a doppia barriera di potenziale realizzata dalla successione di semiconduttori InAs/GaSb/AlSb

per implementare un FILTRO DI SPIN

modello

dispositivo

simulazione

numerica

Parte Teorica

Stato dell’arte raggiunto dalla SPINTRONICS

con analisi dei fenomeni di Meccanica Quantistica coinvolti

Obiettivi


Sommario

Analisi Fisica del filtro di spin con effetto Rashba

  • Spintronics

  • Spin: definizione e proprietà

  • Concetti fondamentali di Meccanica Quantistica

  • Effetto Rashba

Sommario

Analisi del Dispositivo ed Implementazione Numerica

  • Tunneling risonante ed applicazioni

  • Analisi numerica

  • Filtri di spin a tunneling risonante con effetto Rashba

  • Discussione dei risultati


Spintronics

SPIN Transport electrONICS

Definizione:

nuovo paradigma su cui si concentra la ricerca dell'elettronica

di ultima generazione basata su dispositivi che utilizzano lo

spin dell'elettrone per controllare il movimento di carica elettrica.

Il grado di libertà appartenente allo spin sostituisce quello proprio

della carica elettrica.

Come ulteriore obiettivo, questa branca dell'elettronica

si prefigge quello di realizzare dispositivi la cui azione

si basi direttamente ed esclusivamente sullo spin, con lo

scopo di immagazzinare ed elaborare dati senza alcuna

necessità di spostare la carica.

ELETTRONICA

SPINTRONICS

Controllo del flusso

di carica con

campo elettrico

Controllo dello spin degli elettroni

Informazione

associata alla

CORRENTE

Informazione

associata allo

SPIN

NATURE vol. 404

27 APRIL 2000

www.nature.com

Spintronics


Spintronics1

Tecnologie compatibili con quelle tradizionali

  • Minor potenza richiesta

Non-volatilità

  • Maggior velocità di elaborazione dati

Maggior densità di integrazione

Dispositivi che operano con fasci di luce polarizzata

Elementi di memoria che si trovano in due stati distinti

contemporaneamente

  • Spin-injection

  • Scattering elettroni

CALTECH

(Xavier Cartoixà)

Caratteristiche, vantaggi e svantaggi

nel confronto con l’elettronica tradizionale:

Spintronics


1925

Postulato

SPIN

1928

Teoria di Dirac

MOMENTO ANGOLARE INTRINSECO

(non esiste il corrispettivo macroscopico)

  • indipendente dal moto della particella;

  • quantità invariante (per l’elettrone );

  • conservazione momento angolare totale;

  • spin e magnetismo;

  • applicazioni ingegneristiche dello spin:

Spin

Implementazione di dispositivi:

1. MTJ ( Magnetic Tunnel Junction )

Lacorrente dipende dall’allineamento dello spin;

sfruttano l’isteresi magnetica per immagazzinare dati e

la magnetoresistività per leggerli;

2. STRUTTURE A SEMICONDUTTORE (campo nullo).


Problematica di progetto:

FILTRAGGIO delle componenti di spin.

Esperimento di Stern-Gerlach:

prova sperimentale del fenomeno di

QUANTIZZAZIONE SPAZIALE

del momento angolare di spin

Spin


Effetto rashba

Definizione:

Spin-splitting presente nelle sottobande di conduzione

quando la sequenza degli strati che formano l’eterostruttura

non è simmetrica (SIA)

Fenomeni fisici coinvolti:

Degenerazione di spin

  • Spin-splitting

Interazione spin-orbita

Spin-splitting a campo nullo

  • SIA (Structural Inversion Asymmetry)

  • BIA (Bulk Inversion Asymmetry)

Effetto Rashba


Effetto rashba1

Analisi fisica:

  • eterostruttura a semiconduttori (InAs/GaSb/AlSb) tali da

    permettere l'esistenza di SPIN-SPLITTING A CAMPO NULLO

EFFETTO RASHBA

per ottenere spin-splitting.

TUNNELING INTERBANDA

RISONANTE

per ottenere il filtraggio

della componente di spin.

Effetto Rashba


InAs/GaSb/AlSb perché semiconduttori con struttura del cristallo aZINCOBLENDA

Conseguenze fisiche:

ASIMMETRIA D’INVERSIONE NELLO SPAZIO

Rimozione della DEGENERAZIONE DI SPIN per gli elettroni di conduzione nei livelli energetici confinati all'interno della buca di potenziale

Esiste SPIN SPLITTING A CAMPO NULLO

SIA

BIA

&

Scelta dei semiconduttori:


Indagine quantistica del principio cristallo a

di funzionamento del filtro

degenerazione di spin se si verifica la condizione di

1. simmetria d’inversione nel tempo;

2. simmetria d’inversione nello spazio.

SPIN SPLITTING

1. asimmetria d’inversione

nel tempo con

2. asimmetria d’inversione

nello spazio con SIA e BIA


Implementazione di SIA e BIA cristallo a

Per i livelli di conduzione relativi ad una buca di potenziale asimmetrica,

realizzata con semiconduttori a struttura a zincoblenda si ha uno spin-splitting,

a campo magnetico nullo, che si esplica attraverso la presenza di due contributi:

BIA ( Bulk Inversion Asimmetry )

EFFETTO

RASHBA

SIA ( Structural Inversion Asimmetry )

  • contributo legato all’asimmetria nel potenziale

  • di confine, macroscopico dell’eterostruttura;

  • dipende dalla geometria del dispositivo;

  • si manifesta sotto forma di CAMPO ELETTRICO;

  • è interpretabile come un’INTERAZIONE SPIN-ORBITA degli

  • elettroni vincolati all’interno della buca di potenziale quantistica;

CONTROLLO

DI GATE

per transistor

ad effetto spin


Tunneling risonante interbanda cristallo a

Tunneling

Tunneling risonante

  • fenomeno esclusivamente quantistico;

  • attraversamento barriera di potenziale;

  • probabilità di transizione non nulla;

  • implementazione con DIODO TUNNEL.

  • Strutture: una buca e due barriere;

  • più valori di energia;

  • Implementazione con DBQW, con uno o

  • più valori distinti di energia per tunneling.

1. RTD (Resonant Tunneling Diode)

CONDIZIONE DI RISONANZA

Per l’elettrone incidente

la barriera diventa trasparente.

2. RITD (Resonant Interband

Tunneling Diode)

  • Variando la struttura delle barriere può cambiare

  • il numero delle possibili condizioni di risonanza, ma

  • esiste sempre almeno un valore di energia E=Eo,

  • nell’intervallo (U; Uo), che soddisfa la condizione

  • di risonanza;

  • tale valore corrisponde a quello del primo stato

  • legato dentro la buca.


Modellizzazione del filtro di spin cristallo a

Ipotesi di progetto:

  • Diodo tunneling risonante interbanda (RITD) costituito da un’eterostruttura

    asimmetrica a doppia barriera di potenziale, realizzata dalla successione dei

    semiconduttori InAs/GaSb/AlSb per implementare un filtro di spin;

  • si considera soltanto la componente relativa al SIA (effetto Rashba);

  • si analizza il comportamento degli elettroni iniettati nella struttura in una

    sola banda d’energia, che si suppone essere quella di conduzione

  • Il fenomeno di spin-splitting è presente solo in

  • banda di conduzione.

  • L’interazione spin-orbita non accoppia le due

  • sottobande di conduzione, che si distinguono tra

  • loro in base allo spin.

MEF

(Multiband Envelope Model)

per la simulazione del

fenomeno di trasporto

quantistico in dispositivi ad

effetto tunnel risonante

EMA

(Effective Mass Approximation)

per calcolare la struttura a

bande (basata sul metodo

kp del modello di Kane)


Implementazione numerica dell’effetto Rashba cristallo a

L’equazione di Rashba è esprimibile nella forma:

con coefficiente di Rashba, che misura

l’intensità di accoppiamento spin-orbita e che è

implicitamente proporzionale al campo elettrico.

Dalle ipotesi formulate, segue che il modello del MEF a quattro bande (valenza e

conduzione, ciascuna raddoppiata dalla presenza dello spin), è approssimato con

due modelli MEF distinti, ciascuno a due bande (valenza e conduzione), che tengono

conto dello spin separatamente (uno per spin up ed uno per spin down).


Discussione dei risultati cristallo a

Condizione di risonanza

( spin up )

Assenza di risonanza

( spin down )

Per valori di energia << di quello proprio del primo stato di risonanza, la banda di

valenza non è eccitata e non permette passaggio di elettroni oltre l’eterostruttura.

La situazione è identica per spin up e spin down perché esiste DEGENERAZIONE.

Quando gli autostati dell’energia hanno valore prossimo a quello del primo stato di

risonanza, gli autostati risonanti di valenza (STATI PONTE) sono eccitati e gli

elettroni dotati di spin up sono autorizzati ad attraversare l’eterostruttura.


Discussione dei risultati cristallo a

Coefficiente di trasmissione

spin down

spin up

Prova del passaggio dei soli

elettroni dotati di spin up:

sono gli unici ad essere

“autorizzati”ad attraversare

l’eterostruttura.

  • L’andamento è circa nullo dovunque;

  • alla risonanza si ha un picco, con valore max 15% del totale;

  • esistono problemi legati a

  • cancellazione tra le due sottobande

  • cancellazione nella stessa sottobanda

  • problemi di natura numerica.


Conclusioni

Indagine teorica cristallo a

fisica

(Meccanica Quantistica)

Implementazione

dispositivi

commercializzabili

Conclusioni

  • ricerca in ambito spintronics;

  • verifica del modello proposto.

…e sviluppi futuri


ad