En elektrontransistor

Single-electron transistor ( eng. Single-electron transistor , SET ) är konceptet med en transistor som använder förmågan att erhålla märkbara spänningsförändringar när man manipulerar enskilda elektroner . Denna möjlighet finns i synnerhet på grund av fenomenet Coulomb-blockaden .

Historik

För första gången rapporterades möjligheten att skapa enelektrontransistorer baserade på Coulomb-blockaden 1986 av de sovjetiska forskarna K. K. Likharev och D. V. Averin [1] . 1996 skapade de ryska fysikerna S. P. Gubin, V. V. Kolesov, E. S. Soldatov, A. S. Trifonov, V. V. Khanin, G. B. Khomutov, S. A. Yakovenko för första gången i världen en enkelelektronmolekylär nanoklustertransistor [2] som arbetar vid rumstemperatur .[ betydelsen av faktum? ]

Enhet

I likhet med en halvledartransistor med fälteffekt har en enkelelektrontransistor tre elektroder: en source, en drain och en gate. I området mellan elektroderna finns två tunnelövergångar , åtskilda av en extra metall- eller halvledarelektrod med låg kapacitans, som kallas "ön" . Ön är en nanopartikel eller ett kluster av nanometerstorlekar, isolerad från elektroderna av dielektriska lager, genom vilka elektronen kan röra sig under vissa förhållanden. Öns elektriska potential kan styras genom att ändra gate-spänningen, med vilken ön är kapacitivt kopplad. Om en spänning appliceras mellan source och drain, kommer generellt sett ingen ström att flyta, eftersom elektronerna är blockerade på nanopartikeln. När potentialen vid grinden blir större än ett visst tröskelvärde kommer Coulomb-blockaden att bryta, elektronen kommer att passera genom barriären och ström börjar flyta i source-drain-kretsen. I det här fallet kommer strömmen i kretsen att flyta i delar, vilket motsvarar rörelsen av enstaka elektroner. Genom att kontrollera gatepotentialen är det alltså möjligt att passera enstaka elektroner genom Coulomb-barriärerna. Antalet elektroner i en nanopartikel bör inte vara mer än 10 (och helst mindre). Detta kan uppnås i kvantstrukturer med en storlek i storleksordningen 10 nm .

Låt oss betrakta kvanttillstånden för en elektron vid olika grindpotentialer. I det blockerade tillståndet har källelektronen inga tillgängliga energinivåer inom tunnelområdet (röd prick i fig. 2). Alla nivåer med mindre energi på ön är upptagna.

När en positiv potential appliceras på grinden minskar energinivåerna på ön. En elektron (grön 1.) kan tunnla till en ö (grön 2.), och upptar en fri energinivå. Härifrån kan den tunnla till avloppet (grön 3.), där den skingras oelastiskt och når Ferminivån där (grön 4.).

Energinivåerna på ön är jämnt fördelade; avståndet mellan dem ( ) är lika med den energi som krävs för att varje efterföljande elektron ska träffa ön med en kapacitet . Ju lägre desto mer . För att övervinna Coulomb-blockaden måste tre villkor vara uppfyllda: $\Delta E$ $C$ $C$ $\Delta E$

förspänningen kan inte överstiga laddningsenergin;
den termiska energin måste vara lägre än laddningsenergin , eller så måste elektronen passera genom kvantpunkten på grund av termisk excitation; $k_{B}T$ $E_{C}={\frac {e^{2}}{C}}$
tunnelmotståndet ( ) måste vara större än , vilket följer av Heisenbergs osäkerhetsprincip . $R_{t}$ ${\frac {h}{e^{2))}$

Elementär teori om arbete

En enkelelektrontransistor innehåller två tunnelövergångar. Bakgrundsladdningen för dielektrikumet där ön är belägen betecknas med , och betecknar antalet elektroner som tunnlar genom den första respektive andra tunnelövergången. $q_{0}$ $n_{1}$ $n_{2}$

Motsvarande avgifter vid den första och andra tunnelkorsningen och på ön kan skrivas som:

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

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

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

var och är parasitiska läckagekapacitanser för tunnelövergångarna. Med hänsyn till förhållandet kan man få följande värden på spänningar vid tunnelkorsningar: $C_{1}$ $C_{2}$ $V_{b}=V_{1}+V_{2}$

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

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

var . $C_{\Sigma }=C_{1}+C_{2}$

Den elektrostatiska energin för dubbelkorsningen av tunnelövergångar kommer att vara

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 }}}

Arbetet som görs med att tunnla elektroner genom de första och andra övergångarna kommer att vara:

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

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

Med tanke på standarddefinitionen av fri energi i formen:

F=E_{\Sigma }-W

där hittar vi den fria energin för en enkelelektrontransistor: $E_{\Sigma }=E_{C}=\Delta E_{F}+E_{N}$

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}\höger)

För ytterligare övervägande är det nödvändigt att känna till förändringen i fri energi vid nolltemperaturer vid båda tunnelkorsningarna:

\Delta F_{1}^{\pm \;}=F(n\pm \;1,\ n_{1}\pm \;1,\ n_{2})-F(n,\ n_ {1},\ n_{2})={\frac {e}{C_{\Sigma }}}\vänster[{\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})\right]

Sannolikheten för en tunnelövergång kommer att vara hög när den fria energiförändringen är negativ. Huvudtermen i ovanstående uttryck och bestämmer ett positivt värde tills den applicerade spänningen överstiger tröskelvärdet, vilket beror på den minsta av kapacitanserna. I det allmänna fallet, för en oladdad ö ( , ), för symmetriska övergångar ( ), har vi tillståndet $\Delta F$ $V_{b}$ $n=0$ $q_{0}=0$ $C_{1}=C_{2}=C$

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

(det vill säga att tröskelspänningen reduceras med hälften jämfört med en övergång).

Vid noll pålagd spänning kommer Fermi-nivån på metallelektroderna att vara innanför energigapet. När spänningen stiger till tröskelvärdet sker tunnling från vänster till höger, och när backspänningen stiger över tröskelvärdet sker tunnling från höger till vänster.

Existensen av Coulomb-blockaden ses tydligt på ström-spänningskarakteristiken för en enkelelektrontransistor (diagrammet av dräneringsström kontra grindspänning). Vid låga (i absoluta värden) grindspänningar kommer avloppsströmmen att vara noll, och när spänningen stiger över tröskeln beter sig korsningarna som ett ohmskt motstånd (vid samma permeabilitet hos korsningarna) och strömmen ökar linjärt. Det bör noteras här att bakgrundsladdningen i dielektrikumet inte bara kan minska, utan också helt blockera Coulomb-blockaden . $q_{0}=\pm \;(0,5+m)e$

I det fall då permeabiliteten för tunnelbarriärerna är mycket olika ( ), uppstår en stegvis I–V-karakteristik för en enkelelektrontransistor. Elektrontunnlarna går till ön genom den första korsningen och hålls kvar på den på grund av det höga värdet på tunnlingsmotståndet för den andra korsningen. Efter en viss tid tunnlar elektronen genom den andra övergången, men denna process gör att den andra elektronen tunnlar till ön genom den första övergången. Därför belastas ön för det mesta med mer än en laddning. För fallet med omvänd permeabilitet ( ), kommer ön att vara obefolkad och dess laddning kommer att minska stegvis. Först nu kan man förstå principen för driften av en enkelelektrontransistor. Dess ekvivalenta krets kan representeras som en seriekoppling av två tunnelövergångar, till vars anslutningspunkt en annan styrelektrod (gate) läggs till, som är ansluten till ön genom en styrkapacitans . Grindelektroden kan ändra bakgrundsladdningen i dielektrikumet eftersom grinden dessutom polariserar ön så att öns laddning blir lika med $R_{{T1}}\gg \;R_{{T2}}=R_{T}$ $R_{{T1}}\ll \;R_{{T2}}=R_{T}$ $C_{g}$

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

Genom att ersätta detta värde i formlerna ovan hittar vi nya värden för spänningarna vid korsningarna:

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 }}}

var . Den elektrostatiska energin måste inkludera energin som lagras på gate-kondensatorn, och arbetet som utförs av gate-spänningen måste redovisas i den fria energin: $C_{\Sigma }=C_{1}+C_{2}+C_{g}$

\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}\right]

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

Vid nolltemperaturer är endast övergångar med negativ fri energi tillåtna: eller . Dessa förhållanden kan användas för att hitta stabilitetsregionerna i planet . $\Delta F_{1}<0$ $\Delta F_{2}<0$ $V_{b}-V_{g}$

När gate-spänningen ökar medan matningsspänningen hålls under Coulomb-blockadspänningen (dvs. ), kommer drain-utgångsströmmen att oscillera med en period av . Dessa områden motsvarar fall i stabilitetsområdet. Det bör noteras här att tunnelströmmens svängningar fortskrider i tiden, och svängningarna i två seriekopplade korsningar har en periodicitet med avseende på grindstyrspänningen. Den termiska breddningen av svängningarna ökar i stor utsträckning med ökande temperatur. $V_{b}<e/C_{{\Sigma }}$ $e/C_{\Sigma }$

Forskningsriktningar

Olika enelektronanordningar kan erhållas genom att öka antalet tunnelkopplade nanoöar. En sådan anordning är enelektronfällan. Huvudegenskapen hos denna enhet är det så kallade bi- eller multistabila interna laddningsminnet. I en enelektronfälla, inom ett visst spänningsområde som appliceras på grinden, kan en av nanoöarna (vanligtvis närmast grinden) vara i ett, två eller flera stabila laddningstillstånd, dvs innehålla en, två eller flera elektroner. På denna grund skapas redan idag olika logiska element, som inom en snar framtid kan bli nanodatorernas elementbas.

2008 rapporterade en grupp forskare från University of Manchester ( A.K. Geim , K.S. Novoselov , L. Ponomarenko och andra) resultaten av ett experiment som bevisade den grundläggande möjligheten att skapa en enkelelektrontransistor med en storlek på cirka 10 nm . En sådan enkelelektrontransistor kan vara ett enda element i framtida grafenmikrokretsar. Grafenforskare tror att det är möjligt att minska storleken på en kvantpunkt till 1 nm , medan transistorns fysiska egenskaper inte bör förändras [3] .

Se även

Coulomb blockad

Anteckningar

↑ Nanoelektronik. Enheter baserade på enelektrontunneling (otillgänglig länk)
↑ Gjord för första gången? Så, i Ryssland! . Hämtad 11 december 2009. Arkiverad från originalet 19 mars 2012. (obestämd)
↑ En prototyp av en enelektron grafenbaserad transistor har skapats. (inte tillgänglig länk)

Länkar

Enelektronenheter med integrerade kiselledningsområden. Arkiverad 10 oktober 2006 på Wayback Machine
Kommer grafen att begrava transistorn? Arkiverad 8 oktober 2010 på Wayback Machine

Om Kumar, Manjit Kaur, SINGLE ELECTRON TRANSISTOR: APPLICATIONS & PROBLEMS / International journal of VLSI design & Communication Systems (VLSICS) Vol.1, No.4, December 2010