Enkelt elektron transistor

Single-electron transistor ( eng. Single-electron transistor , SET ) er begrebet en transistor , der bruger evnen til at opnå mærkbare spændingsændringer , når man manipulerer individuelle elektroner . Denne mulighed eksisterer især på grund af fænomenet Coulomb-blokaden .

Historie

For første gang blev muligheden for at skabe enkeltelektrontransistorer baseret på Coulomb-blokaden rapporteret i 1986 af de sovjetiske videnskabsmænd K. K. Likharev og D. V. Averin [1] . I 1996 skabte de russiske fysikere S. P. Gubin, V. V. Kolesov, E. S. Soldatov, A. S. Trifonov, V. V. Khanin, G. B. Khomutov, S. A. Yakovenko for første gang i verden en enkelt-elektron molekylær nanocluster-transistor, der opererer ved stuetemperatur [2] .[ betydningen af det faktum? ]

Enhed

I lighed med en felteffekt-halvledertransistor har en enkeltelektrontransistor tre elektroder: en source, et dræn og en gate. I området mellem elektroderne er der to tunnelforbindelser , adskilt af en ekstra metal- eller halvlederelektrode med lav kapacitans, som kaldes "øen" . Øen er en nanopartikel eller klynge af nanometerstørrelser, isoleret fra elektroderne af dielektriske lag, hvorigennem elektronen kan bevæge sig under visse forhold. Øens elektriske potentiale kan styres ved at ændre gatespændingen, som øen er kapacitivt koblet med. Hvis der påføres en spænding mellem kilden og drænet, vil der generelt ikke flyde nogen strøm, da elektronerne er blokeret på nanopartiklerne. Når potentialet ved porten bliver større end en vis tærskelværdi, vil Coulomb-blokaden bryde, elektronen vil passere gennem barrieren, og strøm vil begynde at flyde i source-drain-kredsløbet. I dette tilfælde vil strømmen i kredsløbet flyde i portioner, hvilket svarer til bevægelsen af enkelte elektroner. Ved at styre gatepotentialet er det således muligt at passere enkelte elektroner gennem Coulomb-barriererne. Antallet af elektroner i en nanopartikel bør ikke være mere end 10 (og helst mindre). Dette kan opnås i kvantestrukturer med en størrelse i størrelsesordenen 10 nm .

Lad os betragte en elektrons kvantetilstande ved forskellige gatepotentialer. I den blokerede tilstand har kildeelektronen ingen tilgængelige energiniveauer inden for tunneleringsområdet (rød prik i fig. 2). Alle niveauer med mindre energi på øen er besat.

Når et positivt potentiale påføres porten, falder energiniveauet på øen. En elektron (grøn 1.) kan tunnelere til en ø (grøn 2.), der optager et frit energiniveau. Herfra kan den tunnelere til afløbet (grøn 3.), hvor den spreder sig uelastisk og når Fermi-niveauet der (grøn 4.).

Energiniveauerne på øen er jævnt fordelt; afstanden mellem dem ( ) er lig med den energi, der kræves for hver efterfølgende elektron at ramme øen med en kapacitet . Jo lavere jo mere . For at overvinde Coulomb-blokaden skal tre betingelser være opfyldt: $\Delta E$ $C$ $C$ $\Delta E$

forspændingen kan ikke overstige ladeenergien;
den termiske energi skal være lavere end ladeenergien , eller elektronen skal passere gennem kvanteprikken på grund af termisk excitation; $k_{B}T$ $E_{C}={\frac {e^{2}}{C}}$
tunnelmodstand ( ) skal være større end , hvilket følger af Heisenbergs usikkerhedsprincip . $R_{t}$ ${\frac {h}{e^{2))}$

Elementær teori om arbejde

En enkelt elektrontransistor indeholder to tunnelforbindelser. Baggrundsladningen af det dielektrikum, hvori øen er placeret, er angivet med , og angiver antallet af elektroner, der tunnelerer gennem henholdsvis det første og det andet tunnelkryds. $q_{0}$ $n_{1}$ $n_{2}$

De tilsvarende afgifter ved første og andet tunnelkryds og ved øen kan skrives som:

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

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

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

hvor og er de parasitære lækagekapacitanser for tunnelforbindelserne. Under hensyntagen til forholdet kan man opnå følgende værdier af spændinger ved tunnelkryds: $C_{1}$ $C_{2}$ $V_{b}=V_{1}+V_{2}$

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

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

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

Den elektrostatiske energi af dobbeltforbindelsen af tunnelforbindelser vil være

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 }}}

Arbejdet med at tunnelere elektroner gennem den første og anden overgang vil være henholdsvis:

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

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

I betragtning af standarddefinitionen af fri energi i form:

F=E_{\Sigma }-W

hvor finder vi den frie energi af en enkelt-elektron transistor: $E_{\Sigma }=E_{C}=\Delta E_{F}+E_{N}$

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}\right)

For yderligere overvejelse er det nødvendigt at kende ændringen i fri energi ved nultemperaturer ved begge tunnelkryds:

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

Sandsynligheden for en tunnelovergang vil være høj, når den frie energiændring er negativ. Hovedbegrebet i ovenstående udtryk og bestemmer en positiv værdi, indtil den påførte spænding overstiger tærskelværdien, som afhænger af den mindste af kapacitanserne. I det generelle tilfælde, for en uladet ø ( , ), for symmetriske overgange ( ), har vi betingelsen $\Delta F$ $V_{b}$ $n=0$ $q_{0}=0$ $C_{1}=C_{2}=C$

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

(det vil sige, at tærskelspændingen reduceres til det halve i forhold til en overgang).

Ved nul påført spænding vil Fermi-niveauet på metalelektroderne være inde i energigabet. Når spændingen stiger til tærskelværdien, sker der tunneling fra venstre mod højre, og når omvendt spænding stiger over tærskelværdien, sker der tunneling fra højre mod venstre.

Eksistensen af Coulomb-blokaden ses tydeligt på strømspændingskarakteristikken for en enkeltelektrontransistor (plot af drænstrøm versus gatespænding). Ved lave (i absolut værdi) gatespændinger vil drænstrømmen være nul, og når spændingen stiger over tærsklen, opfører krydsene sig som en ohmsk modstand (i tilfælde af samme permeabilitet af krydsene), og strømmen stiger lineært. Det skal bemærkes her, at baggrundsladningen i dielektriket ikke kun kan reducere, men også fuldstændig blokere Coulomb-blokaden . $q_{0}=\pm \;(0,5+m)e$

I det tilfælde, hvor permeabiliteten af tunnelbarriererne er meget forskellig ( ), opstår der en trinvis I–V-karakteristik for en enkeltelektrontransistor. Elektronetunnellerne til øen gennem det første kryds og fastholdes på det på grund af den høje værdi af tunnelmodstanden i det andet kryds. Efter et vist tidsrum tunneler elektronen gennem den anden overgang, men denne proces får den anden elektron til at tunnelere til øen gennem den første overgang. Derfor er øen det meste af tiden belastet med mere end én opladning. I tilfældet med invers permeabilitet ( ), vil øen være ubefolket, og dens ladning vil falde trinvist. Først nu kan man forstå princippet om drift af en enkelt-elektron transistor. Dets ækvivalente kredsløb kan repræsenteres som en seriel forbindelse af to tunnelforbindelser, til hvis forbindelsespunkt er tilføjet en anden styreelektrode (gate), som er forbundet til øen gennem en kontrolkapacitans . Gateelektroden kan ændre baggrundsladningen i dielektrikumet, fordi porten yderligere polariserer øen, så ladningen af øen bliver lig 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})

Ved at erstatte denne værdi i formlerne ovenfor, finder vi nye værdier for spændingerne ved krydsene:

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 }}}

hvor . Den elektrostatiske energi skal inkludere den energi, der er lagret på gate-kondensatoren, og arbejdet udført af gate-spændingen skal medregnes i den frie energi: $C_{\Sigma }=C_{1}+C_{2}+C_{g}$

\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]

Ved nultemperaturer tillades kun overgange med negativ fri energi: eller . Disse forhold kan bruges til at finde stabilitetsområderne i flyet . $\Delta F_{1}<0$ $\Delta F_{2}<0$ $V_{b}-V_{g}$

Da gate-spændingen stiger, mens forsyningsspændingen holdes under Coulomb-blokadespændingen (dvs. ), vil drænudgangsstrømmen oscillere med en periode på . Disse områder svarer til fald i stabilitetsområdet. Det skal her bemærkes, at tunnelstrømmens svingninger forløber over tid, og svingningerne i to serieforbundne kryds har en periodicitet i forhold til gatestyrespændingen. Den termiske udvidelse af svingningerne stiger i høj grad med stigende temperatur. $V_{b}<e/C_{{\Sigma }}$ $e/C_{\Sigma }$

Retningslinjer for forskning

Forskellige enkeltelektronenheder kan opnås ved at øge antallet af tunnelkoblede nanoøer. En sådan enhed er enkelt-elektronfælden. Hovedegenskaben ved denne enhed er den såkaldte bi- eller multistabile interne ladningshukommelse. I en enkelt-elektronfælde, inden for et bestemt spændingsområde påført til porten, kan en af nanoøerne (normalt tættest på porten) være i en, to eller flere stabile ladningstilstande, dvs. indeholde en, to eller flere elektroner. På dette grundlag skabes der allerede i dag forskellige logiske elementer, som i den nærmeste fremtid kan blive nanocomputeres elementbase.

I 2008 rapporterede en gruppe videnskabsmænd fra University of Manchester ( A.K. Geim , K.S. Novoselov , L. Ponomarenko og andre) resultaterne af et eksperiment, der beviste den grundlæggende mulighed for at skabe en enkelt-elektron transistor med en størrelse på omkring 10 nm . Sådan en enkelt-elektron transistor kan være et enkelt element i fremtidige grafen-mikrokredsløb. Grafenforskere mener, at det er muligt at reducere størrelsen af en kvanteprik til 1 nm , mens transistorens fysiske karakteristika ikke bør ændres [3] .

Se også

Coulomb blokade

Noter

↑ Nanoelektronik. Enheder baseret på enkelt-elektron tunneling (utilgængeligt link)
↑ Lavet for første gang? Altså i Rusland! . Hentet 11. december 2009. Arkiveret fra originalen 19. marts 2012. (ubestemt)
↑ En prototype af en enkelt-elektron grafen-baseret transistor er blevet skabt. (utilgængeligt link)