Los transistores balísticos son el nombre colectivo de los dispositivos electrónicos en los que los portadores de corriente se mueven sin disipación de energía y el camino libre medio de los portadores es mucho mayor que el tamaño del canal del transistor . En teoría, estos transistores permitirán la creación de circuitos integrados de alta frecuencia ( rango THz ) , ya que la velocidad está determinada por el tiempo de vuelo entre el emisor y el colector, o, en otras palabras, la distancia entre los contactos dividida por la velocidad de los electrones. En un transistor balístico, la velocidad de los electrones está determinada por la velocidad de Fermi, no por la velocidad de deriva asociada con la movilidad de los portadores de corriente . Para implementar este tipo de transistor, es necesario excluir la dispersión por defectos de cristal en el canal de corriente (incluida la dispersión por fonones ), lo que solo se puede lograr en materiales muy puros, como la heteroestructura GaAs/AlGaAs . El gas de electrones bidimensional formado en un pozo cuántico de GaAs tiene una alta movilidad a bajas temperaturas y, en consecuencia, un camino libre medio más largo que en otros materiales, lo que permite crear dispositivos mediante litografía electrónica , donde se puede controlar la trayectoria de los electrones. utilizando puertas o defectos de dispersión especular, aunque un transistor de efecto de campo convencional también funcionará como uno balístico (con tamaños suficientemente pequeños). Los transistores balísticos también se basan en nanotubos de carbono , donde debido a la ausencia de retrodispersión (el camino libre medio aumenta con el tamaño lineal del tubo), las temperaturas de operación son incluso más altas que en el caso de GaAs.
El transporte en nanotubos metálicos de pared simple es balístico, pero hasta 2003 no era posible utilizar nanotubos en la creación de transistores balísticos, ya que no se conocía un buen material para el contacto óhmico. Se forma una barrera de Schottky entre el níquel (titanio) y un nanotubo de carbono metálico de pared simple . Este problema se resolvió usando paladio (para conductividad tipo p), que tiene una función de trabajo alta y una mejor humectabilidad (distribución uniforme de paladio sobre el nanotubo, a diferencia del platino) [1] . Dichos transistores funcionan a temperatura ambiente, aunque cuando funcionan en modo único, la resistencia en estado activo del transistor no es inferior a 6 kΩ.
En lugar de requerir un gran voltaje para controlar el flujo de muchos electrones lentos, como se hace en los transistores de efecto de campo convencionales , los transistores balísticos usan una puerta para cambiar la dirección de los electrones individuales rápidos acelerados por medio de una puerta, lo que requiere mucho menos voltaje. Bajo la acción de un campo eléctrico, los electrones lentos del material del electrodo conductor de corriente pasan a una capa delgada de un transistor semiconductor de gran movilidad. Los electrones lentos que ingresan al semiconductor son acelerados por el campo eléctrico del canal hasta el semiconductor. Volando en una película delgada (formando un gas de electrones bidimensional ) de un semiconductor a alta velocidad, los electrones rápidos no chocan con defectos en el semiconductor. Luego, los electrones acelerados son desviados por el campo eléctrico o magnético de los electrodos de control y son dirigidos a lo largo de uno de los caminos. Con este camino, uno de los caminos corresponde al "0" lógico y el otro al "1" lógico . Luego, los electrones rápidos chocan con la pared de uno de los caminos o con un reflector en forma de cuña (deflector) que refleja los electrones por el límite del semiconductor y se dirigen al drenaje deseado. El nombre "balístico" se eligió para reflejar la propiedad de los electrones individuales de pasar a través de una capa de semiconductor de película delgada sin colisionar con defectos en el semiconductor, es decir, sin dispersión. [2] .
Los primeros dispositivos balísticos fueron rectificadores balísticos de onda completa [3] , hechos de heteroestructuras InGaAs-InP y detectando (rectificando) corriente alterna con una frecuencia de hasta 50 GHz.
En una película delgada altamente móvil de un semiconductor con un gas de electrones bidimensional sobre un sustrato, después de la litografía electrónica, se eliminan partes innecesarias del semiconductor (por ejemplo, formando un canal conductor corto), la parte restante del semiconductor es un rectificador balístico de onda completa , y cuando se agregan electrodos de control, es un amplificador diferencial balístico (ver Fig.).
Las ventajas son dimensiones más pequeñas, sin ruido de disparo a baja temperatura [4] , menor consumo de energía y mayor frecuencia de conmutación ( terahercios ). Esta tecnología fue desarrollada por primera vez en la Universidad de Rochester ( Estado de Nueva York , EE . UU .), que creó un prototipo de investigación que sigue siendo conceptual hasta el día de hoy. El prototipo se realizó en Cornell Nanofabrication Facility [5] , una asociación NNIN de NIO de EE. UU. que trabajan en el campo de la nanotecnología , con el apoyo de la Oficina de Investigación Naval [2] .
Este prototipo es similar a pares diferenciales integrados de transistores , lo que determina las posibles áreas de su aplicación (etapas diferenciales de entrada de amplificadores operacionales , comparadores , circuitos lógicos como ESL , disparadores Schmitt acoplados por emisor , etc.).