Tranzistoarele balistice sunt denumirea colectivă pentru dispozitivele electronice în care purtătorii de curent se mișcă fără disipare a energiei și calea liberă medie a purtătorilor este mult mai mare decât dimensiunea canalului tranzistorului . În teorie, acești tranzistori vor permite crearea de circuite integrate de înaltă frecvență ( gama THz ) , deoarece viteza este determinată de timpul de zbor dintre emițător și colector sau, cu alte cuvinte, distanța dintre contacte împărțită la viteza electronilor. Într-un tranzistor balistic, viteza electronilor este determinată de viteza Fermi, nu de viteza de deriva asociată cu mobilitatea purtătorilor de curent . Pentru a implementa acest tip de tranzistor, este necesar să se excludă împrăștierea prin defecte de cristal în canalul curent (inclusiv împrăștierea prin fononi ), care poate fi realizată numai în materiale foarte pure, cum ar fi heterostructura GaAs/AlGaAs . Gazul de electroni bidimensional format într-o sondă cuantică GaAs are o mobilitate ridicată la temperaturi scăzute și, în consecință, o cale liberă medie mai lungă decât în alte materiale, ceea ce face posibilă crearea de dispozitive folosind litografie electronică , unde traiectoria electronului poate fi controlată folosind porți sau defecte de împrăștiere speculară. , deși un tranzistor cu efect de câmp convențional va funcționa și ca unul balistic (cu dimensiuni suficient de mici). Tranzistoarele balistice se bazează, de asemenea, pe nanotuburi de carbon , unde, din cauza absenței retroîmprăștierii (calea liberă medie crește la dimensiunea liniară a tubului), temperaturile de funcționare sunt chiar mai mari decât în cazul GaAs.
Transportul în nanotuburi metalice cu un singur perete este balistic, dar până în 2003 nu a fost posibilă utilizarea nanotuburilor la crearea tranzistoarelor balistice, deoarece nu se cunoștea un material bun pentru contactul ohmic. Se formează o barieră Schottky între nichel (titan) și un nanotub de carbon metalic cu un singur perete . Această problemă a fost rezolvată prin utilizarea paladiului (pentru conductivitate de tip p), care are o funcție de lucru ridicată și o umectabilitate mai bună (distribuție uniformă a paladiului peste nanotub, spre deosebire de platină) [1] . Astfel de tranzistori funcționează la temperatura camerei, deși atunci când funcționează în modul unic, rezistența la starea de pornire a tranzistorului nu este mai mică de 6 kΩ.
În loc să necesite o tensiune mare pentru a controla fluxul multor electroni lenți , așa cum se face în tranzistoarele convenționale cu efect de câmp , tranzistoarele balistice folosesc o poartă pentru a schimba direcția electronilor unici accelerați rapid prin intermediul unei porți, necesitând mult mai puțină tensiune. Sub acțiunea unui câmp electric, electronii lenți din materialul electrodului care poartă curent trec într-un strat subțire al unui tranzistor semiconductor extrem de mobil. Electronii lenți care intră în semiconductor sunt accelerați de câmpul electric al canalului până în semiconductor. Zburând într-o peliculă subțire (formând un gaz bidimensional de electroni ) a unui semiconductor la viteză mare, electronii rapidi nu se ciocnesc cu defecte ale semiconductorului. Apoi, electronii de accelerare sunt deviați de câmpul electric sau magnetic al electrozilor de control și sunt direcționați de-a lungul uneia dintre căi. Cu această cale, una dintre căi corespunde cu „0” logic, iar cealaltă cu „1” logic . Apoi, electronii rapizi se ciocnesc fie cu peretele uneia dintre căi, fie cu un reflector în formă de pană (deflector) care reflectă electronii de limita semiconductorului și sunt direcționați către drenul dorit. Denumirea „balistic” a fost aleasă pentru a reflecta proprietatea electronilor individuali de a trece printr-un strat semiconductor cu peliculă subțire fără a se ciocni cu defecte ale semiconductorului, adică fără împrăștiere. [2] .
Primele dispozitive balistice au fost redresoare balistice cu undă întreagă [3] , realizate din heterostructuri InGaAs–InP și care detectează (redresează) curentul alternativ cu o frecvență de până la 50 GHz.
Într-o peliculă subțire extrem de mobilă a unui semiconductor cu un gaz bidimensional de electroni pe un substrat, după litografia electronică, părțile inutile ale semiconductorului sunt îndepărtate (de exemplu, prin formarea unui canal conductor scurt), partea rămasă a semiconductorului este un redresor balistic cu undă completă , iar când se adaugă electrozi de control, este un amplificator diferenţial balistic (vezi Fig.).
Avantajele sunt dimensiuni mai mici, zgomot de împușcare la temperatură scăzută [4] , consum mai mic de energie și frecvență de comutare mai mare ( teraherți ). Această tehnologie a fost dezvoltată pentru prima dată la Universitatea Rochester ( statul New York , SUA ), care a creat un prototip de cercetare care rămâne conceptual până în prezent. Prototipul a fost realizat la Cornell Nanofabrication Facility [5] , un parteneriat NNIN al NIO din SUA care lucrează în domeniul nanotehnologiei , cu sprijinul Biroului de Cercetare Navală [2] .
Acest prototip este similar cu perechile diferențiale integrate de tranzistoare , care determină domeniile posibile de aplicare a acestuia (etape de intrare diferențiale ale amplificatoarelor operaționale , comparatoare , circuite logice precum ESL , declanșatoare Schmitt cuplate cu emițător etc.).