Ballistiska transistorer är samlingsnamnet för elektroniska enheter där strömbärare rör sig utan energiförlust och den genomsnittliga fria vägen för bärarna är mycket större än storleken på transistorkanalen . I teorin kommer dessa transistorer att möjliggöra skapandet av högfrekventa ( THz-intervall ) integrerade kretsar , eftersom hastigheten bestäms av flygtiden mellan emittern och kollektorn, eller, med andra ord, avståndet mellan kontakterna dividerat med elektronernas hastighet. I en ballistisk transistor bestäms elektronernas hastighet av Fermi-hastigheten, inte av drifthastigheten som är associerad med strömbärarnas rörlighet . För att implementera denna typ av transistor är det nödvändigt att utesluta spridning av kristalldefekter i den aktuella kanalen (inklusive spridning av fononer ), vilket endast kan uppnås i mycket rena material, såsom GaAs/AlGaAs- heterostrukturen . Den tvådimensionella elektrongas som bildas i en GaAs-kvantbrunn har hög rörlighet vid låga temperaturer och följaktligen en längre medelfri väg än i andra material, vilket gör det möjligt att skapa enheter med elektronlitografi , där elektronbanan kan kontrolleras använder grindar eller spegelspridande defekter, även om en konventionell fälteffekttransistor också fungerar som en ballistisk (med tillräckligt små storlekar). Ballistiska transistorer är också baserade på kolnanorör , där på grund av frånvaron av tillbakaspridning (den genomsnittliga fria vägen ökar till rörets linjära storlek), är driftstemperaturerna ännu högre än i fallet med GaAs.
Transport i enkelväggiga nanorör av metall är ballistiska, men fram till 2003 var det inte möjligt att använda nanorör vid skapandet av ballistiska transistorer, eftersom ett bra material för ohmsk kontakt inte var känt. En Schottky-barriär bildas mellan nickel (titan) och ett enkelväggigt metalliskt kolnanorör . Detta problem löstes genom att använda palladium (för konduktivitet av p-typ), som har en hög arbetsfunktion och bättre vätbarhet (likformig fördelning av palladium över nanoröret, till skillnad från platina) [1] . Sådana transistorer arbetar vid rumstemperatur, även om transistorns resistans i tillstånd inte är mindre än 6 kΩ när den arbetar i singelmod.
Istället för att kräva en stor spänning för att styra flödet av många långsamma elektroner , som görs i konventionella fälteffekttransistorer , använder ballistiska transistorer en gate för att ändra riktningen för accelererade snabba enstaka elektroner med hjälp av en gate, vilket kräver mycket mindre spänning. Under inverkan av ett elektriskt fält passerar långsamma elektroner från materialet i den strömförande elektroden in i ett tunt lager av en mycket mobil halvledartransistor. Långsamma elektroner som kommer in i halvledaren accelereras av kanalens elektriska fält hela vägen in i halvledaren. När de flyger i en tunn film (bildar en tvådimensionell elektrongas ) av en halvledare med hög hastighet kolliderar inte snabba elektroner med defekter i halvledaren. Därefter avleds de accelererande elektronerna av styrelektrodernas elektriska eller magnetiska fält och riktas längs en av banorna. Med denna väg motsvarar en av vägarna den logiska "0" och den andra till den logiska "1:an" . Då kolliderar snabba elektroner antingen med väggen på en av banorna eller med en kilformad reflektor (deflektor) som reflekterar elektroner genom halvledargränsen och riktas till önskat avlopp. Namnet "ballistisk" valdes för att återspegla egenskapen hos individuella elektroner att passera genom ett tunnfilmshalvledarskikt utan att kollidera med defekter i halvledaren, det vill säga utan spridning. [2] .
De första ballistiska enheterna var ballistiska helvågslikriktare [3] , gjorda av InGaAs–InP heterostrukturer och detekterar (likriktar) växelström med en frekvens på upp till 50 GHz.
I en mycket rörlig tunn film av en halvledare med en tvådimensionell elektrongas på ett substrat, efter elektronlitografi, avlägsnas onödiga delar av halvledaren (till exempel genom att bilda en kort ledande kanal), den återstående delen av halvledaren är en ballistisk helvågslikriktare , och när styrelektroder läggs till är det en ballistisk differentialförstärkare (se fig.).
Fördelarna är mindre dimensioner, inget skottljud vid låg temperatur [4] , lägre strömförbrukning och högre ( terahertz ) switchfrekvens. Denna teknik utvecklades först vid University of Rochester ( New York State , USA ), som skapade en forskningsprototyp som förblir konceptuell till denna dag. Prototypen gjordes vid Cornell Nanofabrication Facility [5] , ett NNIN-partnerskap av amerikanska NIO:s som arbetar inom nanoteknologi , med stöd från Office of Naval Research [2] .
Denna prototyp liknar integrerade differentialpar av transistorer , som bestämmer de möjliga områdena för dess tillämpning (differentiella ingångssteg för operationsförstärkare , komparatorer , logiska kretsar som ESL , emitterkopplade Schmitt-triggers , etc.).