Jump to content

Одноэлектронный транзистор

Схема базового комплекта и его внутренних электрических компонентов.

Одноэлектронный транзистор ( СЭТ ) — чувствительное электронное устройство, основанное на эффекте кулоновской блокады . В этом устройстве электроны текут через туннельный переход между истоком/стоком к квантовой точке (проводящему острову). Более того, электрический потенциал острова можно настроить с помощью третьего электрода, известного как затвор, который емкостно связан с островом. Проводящий остров зажат между двумя туннельными переходами. [1] моделируется конденсаторами, и и резисторы, и , параллельно.

Новое направление физики конденсированного состояния началось в 1977 году, когда Дэвид Таулесс отметил, что, если размер проводника достаточно мал, он влияет на его электронные свойства. [2] За этим последовали мезоскопические физические исследования в 1980-х годах, основанные на субмикронных размерах исследуемых систем. [3] Так начались исследования, связанные с одноэлектронным транзистором.

О первом одноэлектронном транзисторе, основанном на явлении кулоновской блокады, сообщили в 1986 году советские учёные К.К. Лихарев [ ru ] и Д.В. Аверин. [4] Пару лет спустя Т. Фултон и Дж. Долан в Bell Labs в США изготовили и продемонстрировали, как работает такое устройство. [5] В 1992 году Марк А. Кастнер продемонстрировал важность энергетических уровней квантовой точки. [6] В конце 1990-х — начале 2000-х годов российские физики С.П. Губин, В.В. Колесов, Е.С. Солдатов, А.С. Трифонов, В.В. Ханин, Г.Б. Хомутов и С.А. Яковенко первыми продемонстрировали работу СЭТ на основе молекул при комнатной температуре. [7]

Актуальность

[ редактировать ]

Растущая актуальность Интернета вещей и приложений здравоохранения оказывает более существенное влияние на энергопотребление электронных устройств. По этой причине сверхнизкое энергопотребление является одной из основных тем исследований в современном мире электроники. Огромное количество крошечных компьютеров, используемых в повседневной жизни (например, мобильные телефоны и бытовая электроника), требует значительного уровня энергопотребления реализованных устройств. В этом сценарии SET оказался подходящим кандидатом для достижения этого диапазона низкой мощности с высоким уровнем интеграции устройств.

Области применения включают: сверхчувствительные электрометры, одноэлектронную спектроскопию, стандарты постоянного тока, стандарты температуры, обнаружение инфракрасного излучения, логику состояния напряжения, логику состояния заряда, логику программируемого одноэлектронного транзистора. [8]

Устройство

[ редактировать ]
Принципиальная схема одноэлектронного транзистора
Слева направо: уровни энергии истока, острова и стока в одноэлектронном транзисторе для состояния блокировки (верхняя часть) и состояния передачи (нижняя часть).

У SET, как и у полевого транзистора , три электрода: исток, сток и затвор. Основное технологическое различие между типами транзисторов заключается в концепции канала. В то время как канал меняется с изолированного на проводящий при подаче напряжения на затвор полевого транзистора, SET всегда изолирован. Исток и сток соединены через два туннельных перехода , разделенных металлической или полупроводниковой квантовой наноточкой (КТ). [9] также известный как «остров». Электрический потенциал КТ можно настроить с помощью емкостно связанного затворного электрода, чтобы изменить сопротивление. При приложении положительного напряжения КТ перейдет из блокирующего состояния в неблокирующее, и электроны начнут туннелировать к КТ. Это явление известно как кулоновская блокада .

Электрический ток, от истока к стоку подчиняется закону Ома , когда применяется, и оно равно где основной вклад сопротивления, происходит из-за туннельных эффектов, когда электроны движутся от источника к КТ и от КТ к стоку. регулирует сопротивление КТ, которое регулирует ток. Это точно такое же поведение, как и в обычных полевых транзисторах. Однако при удалении от макроскопического масштаба квантовые эффекты будут влиять на ток,

В блокирующем состоянии все нижние энергетические уровни в КТ заняты, и ни один незанятый уровень не находится в зоне туннелирования электронов, исходящих из источника (зеленый 1). Когда электрон достигает КТ (2.) в неблокирующем состоянии, он заполняет самый низкий доступный вакантный энергетический уровень, что поднимет энергетический барьер КТ, снова выведя ее за пределы туннельного расстояния. Электрон продолжит туннелировать через второй туннельный переход (3.), после чего неупруго рассеивается и достигает уровня Ферми электрода стока (4.).

Энергетические уровни КТ расположены равномерно с разделением Это приводит к возникновению собственной емкости острова, определяемый как: Для достижения кулоновской блокады необходимо соблюдение трех критериев: [10]

  1. Напряжение смещения должно быть ниже элементарного заряда, деленного на собственную емкость острова:
  2. Тепловая энергия в контакте источника плюс тепловая энергия в острове, т.е. должна быть ниже энергии заряда: в противном случае электрон сможет пройти через КТ посредством теплового возбуждения.
  3. Туннельное сопротивление, должно быть больше, чем Гейзенберга который вытекает из принципа неопределенности . [11] где соответствует времени туннелирования и отображается как и на схематическом изображении внутренних электрических компонентов СЭТ. Время ( ) туннелирования электронов через барьер считается пренебрежимо малым по сравнению с другими временными масштабами. Это предположение справедливо для туннельных барьеров, используемых в одноэлектронных устройствах, представляющих практический интерес, где

Если сопротивление всех туннельных барьеров системы много превышает квантовое сопротивление достаточно удержать электроны на острове, и можно с уверенностью игнорировать когерентные квантовые процессы, состоящие из нескольких одновременных туннельных событий, т.е. совместного туннелирования.

Фоновый заряд диэлектрика, окружающего КТ, обозначается выражением . и обозначают количество электронов, туннелирующих через два туннельных перехода, а общее количество электронов равно . Соответствующие заряды на стыках туннелей можно записать как:

где и – паразитные пропускные способности туннельных переходов. Учитывая напряжение смещения, вы можете решить напряжения на туннельных переходах:

Электростатическая энергия двусвязного туннельного перехода (как на схематическом изображении) будет равна

Работа, совершаемая при туннелировании электрона через первый и второй переходы, составит:

Дано стандартное определение свободной энергии в виде:

где мы находим свободную энергию SET как:

Для дальнейшего рассмотрения необходимо знать изменение свободной энергии при нулевых температурах на обоих туннельных переходах:

Вероятность туннельного перехода будет высока, если изменение свободной энергии будет отрицательным. Главный член в приведенных выше выражениях определяет положительное значение пока приложенное напряжение не превысит порогового значения, которое зависит от наименьшей мощности в системе. В общем случае для незаряженного QD ( и ) для симметричных переходов ( ) у нас есть условие

(то есть пороговое напряжение снижается вдвое по сравнению с одиночным переходом).

Когда приложенное напряжение равно нулю, уровень Ферми на металлических электродах будет находиться внутри энергетической щели. При увеличении напряжения до порогового значения происходит туннелирование слева направо, а при увеличении обратного напряжения выше порогового уровня происходит туннелирование справа налево.

Существование кулоновской блокады хорошо видно на вольт-амперной характеристике СЭТ (график, показывающий зависимость тока стока от напряжения на затворе). При малых напряжениях на затворе (по абсолютной величине) ток стока будет равен нулю, а при повышении напряжения выше порога переходы ведут себя как омическое сопротивление (оба перехода имеют одинаковую проницаемость) и ток возрастает линейно. Фоновый заряд в диэлектрике может не только уменьшить, но и полностью блокировать кулоновскую блокаду.

В случае, когда проходимость туннельных барьеров сильно различается возникает ступенчатая ВАХ СЭТ. Электрон туннелирует на остров через первый переход и удерживается на нем благодаря высокому туннельному сопротивлению второго перехода. Через определенный период времени электрон туннелирует через второй переход, однако этот процесс заставляет второй электрон туннелировать на остров через первый переход. Поэтому большую часть времени остров заряжается сверх одного заряда. Для случая с обратной зависимостью проницаемости остров будет необитаем, а его заряд будет ступенчато уменьшаться. [ нужна ссылка ] Только теперь мы можем понять принцип работы СЭТА. Его эквивалентную схему можно представить как два туннельных перехода, соединенных последовательно через КТ, перпендикулярно туннельным переходам подключен еще один управляющий электрод (затвор). Электрод затвора соединен с островом через резервуар управления. Электрод затвора может изменять фоновый заряд в диэлектрике, поскольку затвор дополнительно поляризует остров так, что заряд острова становится равным

Подставляя это значение в найденные выше формулы, находим новые значения напряжений на переходах:

В электростатическую энергию следует включить энергию, запасенную на конденсаторе затвора, а в свободную энергию следует учесть работу, совершаемую напряжением на затворе:

При нулевых температурах допускаются только переходы с отрицательной свободной энергией: или . Эти условия можно использовать для нахождения областей устойчивости на плоскости.

С увеличением напряжения на затворном электроде, когда напряжение питания поддерживается ниже напряжения кулоновской блокады (т.е. ), выходной ток стока будет колебаться с периодом Эти области соответствуют провалам в области устойчивости. Колебания туннельного тока происходят во времени, а колебания в двух последовательно соединенных переходах имеют периодичность по напряжению управления затвором. Тепловое уширение колебаний существенно возрастает с ростом температуры.

Температурная зависимость

[ редактировать ]

Различные материалы успешно прошли испытания при создании одноэлектронных транзисторов. Однако температура является огромным фактором, ограничивающим реализацию доступных электронных устройств. Большинство SET на металлической основе работают только при экстремально низких температурах.

Одноэлектронный транзистор с ниобиевыми выводами и алюминиевым островом.

Как указано в пункте 2 приведенного выше списка: энергия электростатического заряда должна быть больше, чем для предотвращения тепловых флуктуаций, влияющих на кулоновскую блокаду . Это, в свою очередь, означает, что максимально допустимая емкость островка обратно пропорциональна температуре и должна быть ниже 1 аФ, чтобы устройство могло работать при комнатной температуре.

Емкость островка зависит от размера КТ, и диаметр КТ менее 10 нм предпочтителен при работе при комнатной температуре. Это, в свою очередь, накладывает огромные ограничения на технологичность интегральных схем из-за проблем с воспроизводимостью.

Совместимость с КМОП

[ редактировать ]
Гибридная схема SET-FET

Уровень электрического тока SET можно достаточно усилить для работы с доступной технологией КМОП , создав гибридное устройство SET- FET . [12] [13]

В 2016 году ЕС профинансировал проект IONS4SET (№ 688072). [14] ищет технологичность схем SET-FET, работающих при комнатной температуре. Основной целью этого проекта является разработка технологического процесса SET-технологии для крупномасштабных операций, направленных на расширение использования гибридных SET-CMOS-архитектур. Чтобы обеспечить работу при комнатной температуре, необходимо изготовить одиночные точки диаметром менее 5 нм и расположить их между истоком и стоком с туннельными расстояниями в несколько нанометров. [15] До сих пор не существует надежной технологической схемы изготовления гибридной схемы SET-FET, работающей при комнатной температуре. В этом контексте этот проект ЕС исследует более реальный способ изготовления схемы SET-FET с использованием столбцов размером примерно 10 нм. [16]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Махапатра, С.; Вайш, В.; Васшубер, К.; Банерджи, К.; Ионеску, AM (2004). «Аналитическое моделирование одноэлектронного транзистора для проектирования гибридных аналоговых ИС CMOS-SET». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 51 (11): 1772–1782. Бибкод : 2004ITED...51.1772M . дои : 10.1109/TED.2004.837369 . ISSN   0018-9383 . S2CID   15373278 .
  2. ^ Таулесс, Дэвид Дж . (1977). «Максимальное металлическое сопротивление тонких проводов». Физ. Преподобный Летт . 39 (18): 1167–1169. Бибкод : 1977PhRvL..39.1167T . дои : 10.1103/PhysRevLett.39.1167 .
  3. ^ АльТшулер, Борис Л.; Ли, Патрик А. (1988). «Неупорядоченные электронные системы». Физика сегодня . 41 (12): 36–44. Бибкод : 1988ФТ....41л..36А . дои : 10.1063/1.881139 .
  4. ^ Аверин, Д.В.; Лихарев, К.К. (1986-02-01). «Кулоновская блокада одноэлектронного туннелирования и когерентные колебания в небольших туннельных переходах». Журнал физики низких температур . 62 (3–4): 345–373. Бибкод : 1986JLTP...62..345A . дои : 10.1007/BF00683469 . ISSN   0022-2291 . S2CID   120841063 .
  5. ^ «Одноэлектронные транзисторы» . Мир физики. 1 сентября 1998 г. Проверено 17 сентября 2019 г.
  6. ^ Кастнер, Массачусетс (1 июля 1992 г.). «Одноэлектронный транзистор». Преподобный Мод. Физ . 64 (3): 849–858. Бибкод : 1992РвМП...64..849К . дои : 10.1103/RevModPhys.64.849 .
  7. ^ Губин, ИП; Гулаев Ю В.; Хомутов, Г.Б.; Кислов В.В.; Колесов В.В.; Солдатов Е.С.; Сулайманкулов К.С.; Трифонов А.С. (2002). «Молекулярные кластеры как строительные блоки для наноэлектроники: первая демонстрация кластерного одноэлектронного туннельного транзистора при комнатной температуре». Нанотехнологии . 13 (2): 185–194. Бибкод : 2002Nanot..13..185G . дои : 10.1088/0957-4484/13/2/311 . .
  8. ^ Кумар, О.; Каур, М. (2010). «Одноэлектронный транзистор: применение и проблемы» . Международный журнал систем проектирования и связи СБИС . 1 (4): 24–29. дои : 10.5121/vlsic.2010.1403 .
  9. ^ Учида, Кен; Мацудзава, Казуя; Кога, Джунджи; Оба, Рюдзи; Такаги, Синъити; Ториуми, Акира (2000). «Модель аналитического одноэлектронного транзистора (SET) для проектирования и анализа реалистичных схем SET». Японский журнал прикладной физики . 39 (Часть 1, № 4Б): 2321–2324. Бибкод : 2000JaJAP..39.2321U . дои : 10.1143/JJAP.39.2321 . ISSN   0021-4922 .
  10. ^ Пул, Чарльз П. младший; Оуэнс, Фрэнк Дж. (2003). Введение в нанотехнологии . John Wiley & Sons Inc. ISBN  0-471-07935-9 .
  11. ^ Васшубер, Кристоф (1997). «2.5 Минимальное туннельное сопротивление для одноэлектронной зарядки» . Об одноэлектронных устройствах и схемах (доктор философии). Венский технологический университет.
  12. ^ Ионеску, AM; Махапатра, С.; Потт, В. (2004). «Гибридная архитектура SETMOS с колебаниями кулоновской блокады и сильноточным приводом». Письма об электронных устройствах IEEE . 25 (6): 411–413. Бибкод : 2004IEDL...25..411I . дои : 10.1109/LED.2004.828558 . ISSN   0741-3106 . S2CID   42715316 .
  13. ^ Амат, Эстев; Бауселлс, Джоан; Перес-Мурано, Франческ (2017). «Исследование влияния вариабельности одноэлектронных транзисторов на схемы на основе SET». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 64 (12): 5172–5180. Бибкод : 2017ITED...64.5172A . дои : 10.1109/TED.2017.2765003 . ISSN   0018-9383 . S2CID   22082690 .
  14. ^ «Веб-сайт IONS4SET» . Проверено 17 сентября 2019 г.
  15. ^ Клупфель, Ф.Дж.; Буренков А.; Лоренц, Дж. (2016). «Моделирование одноэлектронных запоминающих устройств на основе кремниевых точек». 2016 Международная конференция по моделированию полупроводниковых процессов и устройств (SISPAD) . стр. 237–240. дои : 10.1109/SISPAD.2016.7605191 . ISBN  978-1-5090-0818-6 . S2CID   15721282 .
  16. ^ Сюй, Сяомо; Хейниг, Карл-Хайнц; Мёллер, Вольфхард; Энгельманн, Ханс-Юрген; Клингнер, Нико; Гарби, Ахмед; Тирон, Ралука; Йоханнес фон Борани; Главачек, Грегор (2019). «Морфологическая модификация наностолбиков Si под ионным облучением при повышенных температурах: пластическая деформация и контролируемое утончение до 10 нм». arXiv : 1906.09975v2 [ physical.app-ph ].
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: d1d868a904bd1e6b7017dddf8ed325c6__1712400360
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/d1/c6/d1d868a904bd1e6b7017dddf8ed325c6.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Single-electron transistor - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)