Yhden elektronin transistori

Single-electron transistor ( eng. Single-electron transistor , SET ) on transistorin käsite, joka käyttää kykyä saada havaittavia jännitemuutoksia käsiteltäessä yksittäisiä elektroneja . Tämä mahdollisuus on olemassa erityisesti Coulombin saarron ilmiön vuoksi .

Historia

Neuvostoliiton tutkijat K. K. Likharev ja D. V. Averin raportoivat ensimmäistä kertaa mahdollisuudesta luoda Coulombin saartoon perustuvia yksielektronitransistoreja vuonna 1986 . Vuonna 1996 venäläiset fyysikot S. P. Gubin, V. V. Kolesov, E. S. Soldatov, A. S. Trifonov, V. V. Khanin, G. B. Khomutov, S. A. Yakovenko loivat ensimmäistä kertaa maailmassa yhden elektronin molekyylin nanoklusteritransistorin, joka toimii huoneenlämmössä [2] .[ tosiasian merkitys? ]

Laite

Kuten kenttävaikutteisessa puolijohdetransistorissa, yksielektronitransistorissa on kolme elektrodia: lähde, nielu ja hila. Elektrodien välisellä alueella on kaksi tunneliliitoskohtaa , jotka erotetaan ylimääräisellä metalli- tai puolijohdeelektrodilla, jolla on pieni kapasitanssi, jota kutsutaan "saareksi" . Saari on nanometrin kokoinen nanopartikkeli tai -klusteri, joka on eristetty elektrodeista dielektrisillä kerroksilla, jonka läpi elektroni voi liikkua tietyissä olosuhteissa. Saaren sähköpotentiaalia voidaan ohjata muuttamalla hilajännitettä, johon saareke on kapasitiivisesti kytketty. Jos lähteen ja nielun väliin syötetään jännite, niin yleisesti ottaen virtaa ei kulje, koska elektronit ovat tukossa nanopartikkelin päällä. Kun potentiaali portilla on suurempi kuin tietty kynnysarvo, Coulombin esto katkeaa, elektroni kulkee esteen läpi ja virta alkaa virrata lähde-tyhjennyspiirissä. Tässä tapauksessa virtapiirissä virtaa osissa, mikä vastaa yksittäisten elektronien liikettä. Siten ohjaamalla hilapotentiaalia on mahdollista päästää yksittäisiä elektroneja Coulombin esteiden läpi. Elektronien lukumäärä nanopartikkelissa ei saa olla yli 10 (ja mieluiten vähemmän). Tämä voidaan saavuttaa kvanttirakenteissa, joiden koko on luokkaa 10 nm .

Tarkastellaan elektronin kvanttitiloja eri hilapotentiaalissa. Estetyssä tilassa lähdeelektronilla ei ole käytettävissä energiatasoja tunnelointialueella (punainen piste kuvassa 2). Saaren kaikki tasot, joilla on vähemmän energiaa, ovat käytössä.

Kun porttiin kohdistetaan positiivinen potentiaali, saaren energiatasot laskevat. Elektroni (vihreä 1.) voi tunneloida saarelle (vihreä 2.), miehittääkseen vapaan energiatason. Sieltä se voi tunneloitua viemäriin (vihreä 3.), jossa se hajoaa kimmottomasti ja saavuttaa siellä Fermi-tason (vihreä 4.).

Saaren energiatasot jakautuvat tasaisesti; niiden välinen etäisyys ( ) on yhtä suuri kuin energia, joka tarvitaan kunkin seuraavan elektronin osumiseen saareen kapasiteetilla . Mitä alempi sen enemmän . Coulombin saarron voittamiseksi kolmen edellytyksen on täytyttävä: $\Delta E$ $C$ $C$ $\Delta E$

bias-jännite ei voi ylittää latausenergiaa;
lämpöenergian on oltava pienempi kuin latausenergia tai elektronin täytyy kulkea kvanttipisteen läpi termisen virityksen vuoksi; $k_{B}T$ $E_{C}={\frac {e^{2}}{C}}$
tunnelointivastuksen ( ) on oltava suurempi kuin , mikä seuraa Heisenbergin epävarmuusperiaatteesta . $R_{t}$ ${\frac {h}{e^{2))}$

Työn perusteoria

Yksi elektronitransistori sisältää kaksi tunneliliitosta. Eristeen taustavaraus, jossa saari sijaitsee, on merkitty symbolilla , ja se tarkoittaa elektronien lukumäärää, jotka tunnelivat ensimmäisen ja toisen tunneliliitoksen läpi, vastaavasti. $q_{0}$ $n_{1}$ $n_{2}$

Vastaavat varaukset ensimmäisessä ja toisessa tunnelin risteyksessä ja saarella voidaan kirjoittaa seuraavasti:

q_{1}=C_{1}V_{1}

q_{2}=C_{2}V_{2}

q=q_{2}-q_{1}+q_{0}=-ne+q_{0}

missä ja ovat tunnelin liitoskohtien loisvuotokapasitanssit. Kun otetaan huomioon suhde , tunnelin risteyksissä voidaan saada seuraavat jännitteet: $C_{1}$ $C_{2}$ $V_{b}=V_{1}+V_{2}$

V_{1}={\frac {C_{2}V_{b}+ne-q_{0}}{C_{\Sigma }}}

V_{2}={\frac {C_{1}V_{b}-ne+q_{0}}{C_{\Sigma }}}

missä . $C_{\Sigma }=C_{1}+C_{2}$

Tunneliliitosten kaksoisristeyksen sähköstaattinen energia on

E_{C}={\frac {q_{1}^{2}}{2C_{1}}}+{\frac {q_{2}^{2}}{2C_{2}}}={\frac {C_{1}C_{2}V_{b}^{2}+(ne-q_{0})^{2}}{2C_{\Sigma }}}

Elektronien tunneloinnissa ensimmäisen ja toisen siirtymän läpi tehtävä työ on vastaavasti:

W_{1}={\frac {n_{1}eV_{b}C_{2}}{C_{\Sigma }}}

W_{2}={\frac {n_{2}eV_{b}C_{1}}{C_{\Sigma }}}

Ottaen huomioon vapaan energian standardimääritelmän muodossa:

F=E_{\Sigma }-W

jossa löydämme yhden elektronin transistorin vapaan energian: $E_{\Sigma }=E_{C}=\Delta E_{F}+E_{N}$

F\left(n,\ n_{1},\ n_{2}\right)=E_{C}-W={\frac {1}{C_{\Sigma ))}\left({\ frac {1}{2}}C_{1}C_{2}V_{b}^{2}+\left(ne-q_{0}\right)^{2}+eV_{b}C_{1} n_{2}+C_{2}n_{1}\oikea)

Lisäharkintaa varten on tarpeen tietää vapaan energian muutos nollalämpötiloissa molemmissa tunnelin risteyksissä:

\Delta F_{1}^{\pm \;}=F(n\pm \;1,\ n_{1}\pm \;1,\ n_{2})-F(n,\ n_ {1},\ n_{2})={\frac {e}{C_{\Sigma }}}\left[{\frac {e}{2}}\pm \;(V_{b}C_{2 }+ne-q_{0})\right]

\Delta F_{2}^{\pm \;}=F(n\pm \;1,\ n_{1},\ n_{2}\pm \;1\pm \;1)-F (n,\ n_{1},\ n_{2})={\frac {e}{C_{\Sigma }}}\left[{\frac {e}{2}}\pm \;(V_{ b}C_{1}-ne+q_{0})\oikea]

Tunnelin siirtymän todennäköisyys on suuri, kun vapaan energian muutos on negatiivinen. Päätermi yllä olevissa lausekkeissa ja määrittää positiivisen arvon , kunnes käytetty jännite ylittää kynnysarvon, joka riippuu kapasitanssien pienimmistä. Yleisessä tapauksessa varautumattomalle saarelle ( , ), symmetrisille siirtymille ( ), meillä on ehto $\Delta F$ $V_{b}$ $n = 0$ $q_{0}=0$ $C_{1}=C_{2}=C$

V_{th}=\left|V_{b}\right|\geq \;{\frac {e}{2C))

(eli kynnysjännite pienenee puoleen verrattuna yhteen siirtymään).

Nollalla syötetyllä jännitteellä metallielektrodien Fermi-taso on energiaraon sisällä. Kun jännite nousee kynnysarvoon, tapahtuu tunnelointia vasemmalta oikealle ja kun käänteinen jännite nousee kynnyksen yläpuolelle, tapahtuu tunnelointia oikealta vasemmalle.

Coulombin eston olemassaolo näkyy selvästi yksielektronitransistorin virta-jännite-ominaiskäyrässä (nieluvirran ja hilajännitteen käyrä). Matalilla (absoluuttisen arvon) hilajännitteillä nieluvirta on nolla, ja kun jännite nousee kynnyksen yläpuolelle, liitokset käyttäytyvät ohmisen resistanssin tavoin (tapaus, jossa liitosten läpäisevyys on sama) ja virta kasvaa lineaarisesti. Tässä on huomattava, että dielektrisen taustavaraus ei voi vain vähentää, vaan myös estää kokonaan Coulombin saartoa . $q_{0}=\pm \;(0,5+m)e$

Siinä tapauksessa, että tunnelointiesteiden läpäisevyys on hyvin erilainen ( ), syntyy yksielektronitransistorin porrastettu I–V-ominaisuus. Elektroni tunneli saarelle ensimmäisen risteyksen kautta ja pysyy siellä toisen risteyksen tunnelointivastuksen korkean arvon vuoksi. Tietyn ajan kuluttua elektroni tunneloituu toisen siirtymän läpi, mutta tämä prosessi saa toisen elektronin tunneloitumaan saarelle ensimmäisen siirtymän kautta. Siksi suurimman osan ajasta saari ladataan useammalla kuin yhdellä latauksella. Jos kyseessä on käänteinen läpäisevyys ( ), saari on asumaton ja sen varaus pienenee asteittain. Vasta nyt voidaan ymmärtää yksielektronisen transistorin toimintaperiaate. Sen ekvivalenttipiiri voidaan esittää kahden tunneliliitoksen sarjakytkennänä, jonka liitäntäpisteeseen on lisätty toinen ohjauselektrodi (portti), joka on kytketty saarekkeeseen ohjauskapasitanssin kautta . Hilaelektrodi voi muuttaa taustavarausta eristeessä, koska portti polarisoi lisäksi saaren niin, että saaren varaus tulee yhtä suureksi kuin $R_{{T1}}\gg \;R_{{T2}}=R_{T}$ $R_{{T1}}\ll \;R_{{T2}}=R_{T}$ $C_{g}$

q=-ne+q_{0}+C_{g}(V_{g}-V_{2})

Korvaamalla tämän arvon yllä oleviin kaavoihin, löydämme uusia arvoja jännitteille risteyksissä:

V_{1}={\frac {(C_{2}+C_{g})V_{b}-C_{g}V_{g}+ne-q_{0}}{C_{\Sigma }}}

V_{2}={\frac {C_{1}V_{b}+C_{g}V_{g}-ne+q_{0}}{C_{\Sigma }}}

missä . Sähköstaattiseen energiaan tulee sisältyä hilakondensaattoriin varastoitunut energia ja hilajännitteen tekemä työ tulee huomioida vapaassa energiassa: $C_{\Sigma }=C_{1}+C_{2}+C_{g}$

\Delta F_{1}^{\pm \;}={\frac {e}{C_{\Sigma }}}\left[{\frac {e}{2}}\pm \;V_{ b}(C_{2}+C_{g})-V_{g}C_{g}+ne+q_{0}\oikea]

\Delta F_{2}^{\pm \;}={\frac {e}{C_{\Sigma }}}\left[{\frac {e}{2}}\pm \;V_{ b}C_{1}+V_{g}C_{g}-ne+q_{0}\oikea]

Nollalämpötiloissa sallitaan vain siirtymät negatiivisella vapaalla energialla: tai . Näiden ehtojen avulla voidaan löytää tason vakausalueet . $\Delta F_{1}<0$ $\Delta F_{2}<0$ $V_{b}-V_{g}$

Kun hilajännite kasvaa samalla kun syöttöjännite pidetään Coulombin estojännitteen (eli ) alapuolella, nielun lähtövirta värähtelee jaksolla . Nämä alueet vastaavat vakauden alueen laskuja. Tässä on huomioitava, että tunnelointivirran värähtelyt etenevät ajassa ja värähtelyt kahdessa sarjaan kytketyssä liitoksessa ovat jaksollisia hilaohjausjännitteen suhteen. Värähtelyjen lämpölaajeneminen lisääntyy suuressa määrin lämpötilan noustessa. $V_{b}<e/C_{{\Sigma }}$ $e/C_{\Sigma}$

Tutkimussuunnat

Erilaisia yksielektronisia laitteita voidaan saada lisäämällä tunnelikytkentäisten nanosaarten määrää. Yksi tällainen laite on yhden elektronin ansa. Tämän laitteen pääominaisuus on ns. bi- tai multistabiili sisäinen latausmuisti. Yhden elektronin loukussa, tietyllä hilaan kohdistetulla jännitealueella, yksi nanosaarista (yleensä lähimpänä porttia) voi olla yhdessä, kahdessa tai useammassa stabiilissa varaustilassa, eli sisältää yhden, kaksi tai useita elektroneja. Tältä pohjalta luodaan jo tänään erilaisia loogisia elementtejä, joista voi lähitulevaisuudessa muodostua nanotietokoneiden elementtikanta.

Vuonna 2008 ryhmä Manchesterin yliopiston tutkijoita ( A. K. Geim , K. S. Novoselov , L. Ponomarenko ja muut) raportoi tulokset kokeesta, joka osoitti perustavanlaatuisen mahdollisuuden luoda yksielektronitransistori, jonka koko on noin 10 nm . . Tällainen yksielektronitransistori voi olla yksi elementti tulevissa grafeenimikropiireissä. Grafeenitutkijat uskovat, että kvanttipisteen koko on mahdollista pienentää 1 nm :iin , kun taas transistorin fysikaalisten ominaisuuksien ei pitäisi muuttua [3] .

Katso myös

Coulombin saarto

Muistiinpanot

↑ Nanoelektroniikka. Laitteet, jotka perustuvat yhden elektronin tunnelointiin (pääsemätön linkki)
↑ Valmistettu ensimmäistä kertaa? Siis Venäjällä! . Haettu 11. joulukuuta 2009. Arkistoitu alkuperäisestä 19. maaliskuuta 2012. (määrätön)
↑ Yksielektronigrafeenipohjaisen transistorin prototyyppi on luotu. (linkki ei saatavilla)

Linkit

Yhden elektronin laitteet, joissa on integroidut piijohtavuusalueet. Arkistoitu 10. lokakuuta 2006 Wayback Machinessa
Grafeeni hautaa transistorin? Arkistoitu 8. lokakuuta 2010 Wayback Machinessa

Om Kumar, Manjit Kaur, SINGLE ELECTRON TRANSISTORI: SOVELLUKSET & ONGELMAT / Kansainvälinen VLSI design & Communication Systems (VLSICS) -lehti, Vol.1, No.4, December 2010