A ballisztikus tranzisztorok az elektronikus eszközök gyűjtőneve, ahol az áramhordozók energiaveszteség nélkül mozognak, és a hordozók átlagos szabad útja sokkal nagyobb, mint a tranzisztor csatorna mérete . Elméletileg ezek a tranzisztorok lehetővé teszik a nagyfrekvenciás ( THz-es tartomány ) integrált áramkörök létrehozását , mivel a sebességet az emitter és a kollektor közötti repülési idő határozza meg, vagy más szóval az érintkezők közötti távolság osztva az elektronok sebessége. A ballisztikus tranzisztorban az elektronok sebességét a Fermi-sebesség határozza meg, nem pedig az áramhordozók mobilitása miatti sodródási sebesség.. Az ilyen típusú tranzisztorok megvalósításához ki kell zárni a kristályhibák által okozott szórást az áramcsatornában (beleértve a fononok szóródását is), ami csak nagyon tiszta anyagokban érhető el, mint például a GaAs/AlGaAs heterostruktúra . A GaAs kvantumkútban képződött kétdimenziós elektrongáz alacsony hőmérsékleten nagy mobilitású, és ennek megfelelően hosszabb átlagos szabad útja, mint más anyagoknál, ami lehetővé teszi olyan eszközök létrehozását elektronlitográfiával , ahol az elektronpályát lehet szabályozni. kapuk vagy tükrös szóródási hibák használatával. , bár a hagyományos térhatású tranzisztor ballisztikusként is működik (kellően kis méretekkel). A ballisztikus tranzisztorok is szén nanocsöveken alapulnak , ahol a visszaszórás hiánya miatt (az átlagos szabad út a cső lineáris méretére nő) az üzemi hőmérséklet még magasabb, mint a GaAs esetében.
Az egyfalú fém nanocsövekben történő szállítás ballisztikus, de 2003-ig nem lehetett nanocsöveket használni ballisztikus tranzisztorok létrehozásában, mivel nem ismertek jó anyagot az ohmos érintkezésre. Schottky-gát képződik a nikkel (titán) és egy egyfalú fém szén nanocső között . Ezt a problémát palládium (p-típusú vezetőképesség) alkalmazásával oldották meg, amelynek nagy munkafunkciója és jobb nedvesíthetősége van (a palládium egyenletes eloszlása a nanocsőben, ellentétben a platinával) [1] . Az ilyen tranzisztorok szobahőmérsékleten működnek, bár egymódusú működés esetén a tranzisztor bekapcsolt állapotú ellenállása nem kevesebb, mint 6 kΩ.
Ahelyett, hogy nagy feszültségre lenne szükség sok lassú elektron áramlásának szabályozásához , ahogyan azt a hagyományos térhatású tranzisztoroknál teszik, a ballisztikus tranzisztorok kaput használnak a gyorsított, gyors elektronok irányának megváltoztatására egy kapu segítségével, ami sokkal kisebb feszültséget igényel. Az elektromos tér hatására az áramvezető elektróda anyagából lassú elektronok jutnak át egy nagyon mozgékony félvezető tranzisztor vékony rétegébe. A félvezetőbe belépő lassú elektronokat a csatorna elektromos tere felgyorsítja egészen a félvezetőbe. Egy félvezető vékony filmjében ( kétdimenziós elektrongázt képezve ) nagy sebességgel repülve a gyors elektronok nem ütköznek a félvezető hibáival. Ezután a gyorsító elektronokat a vezérlőelektródák elektromos vagy mágneses tere eltéríti, és az egyik út mentén irányítja őket. Ezzel az útvonallal az egyik útvonal a logikai "0"-nak, a másik pedig a logikai "1"-nek felel meg . Ekkor a gyors elektronok vagy az egyik út falával, vagy egy ék alakú reflektorral (deflektorral) ütköznek, amely a félvezető határán visszaveri az elektronokat, és a kívánt csatornába irányítják őket. A "ballisztikus" nevet azért választották, hogy tükrözze az egyes elektronok azon tulajdonságát, hogy áthaladnak egy vékonyfilmes félvezetőrétegen anélkül, hogy ütköznének a félvezető hibáival, vagyis szóródás nélkül. [2] .
Az első ballisztikus eszközök a ballisztikus teljes hullámú egyenirányítók [3] voltak , amelyek InGaAs–InP heterostruktúrákból készültek, és 50 GHz-es frekvenciájú váltakozó áramot észleltek (egyenirányítók).
A félvezető rendkívül mozgékony vékony filmjében kétdimenziós elektrongázzal egy hordozón az elektronlitográfia után a félvezető felesleges részeit eltávolítják (például egy rövid vezető csatorna kialakításával), a félvezető fennmaradó részét ballisztikus teljes hullámú egyenirányító , és ha vezérlőelektródákat adunk hozzá, akkor ez egy ballisztikus differenciálerősítő (lásd az ábrát).
Az előnyök a kisebb méretek, nincs lövészaj alacsony hőmérsékleten [4] , alacsonyabb energiafogyasztás és magasabb ( terahertz ) kapcsolási frekvencia. Ezt a technológiát először a Rochesteri Egyetemen ( New York állam , USA ) fejlesztették ki, amely egy olyan kutatási prototípust hozott létre, amely a mai napig koncepcionális. A prototípus a Cornell Nanofabrication Facility-ben [5] készült, amely a nanotechnológia területén dolgozó amerikai NIO -k NNIN-partnersége a Haditengerészeti Kutatási Hivatal [2] támogatásával .
Ez a prototípus hasonló a tranzisztorok integrált differenciálpárjaihoz , amely meghatározza alkalmazásának lehetséges területeit ( műveleti erősítők , komparátorok , logikai áramkörök, például ESL , emitter-csatolt Schmitt triggerek , stb. differenciális bemeneti fokozatai).