Jednoelektronový tranzistor

Jednoelektronový tranzistor ( angl. Single-electron transistor , SET ) je koncept tranzistoru , který využívá schopnosti získat znatelné změny napětí při manipulaci s jednotlivými elektrony . Tato možnost existuje zejména kvůli fenoménu coulombské blokády .

Historie

Poprvé o možnosti vytvoření jednoelektronových tranzistorů na základě Coulombovy blokády referovali v roce 1986 sovětští vědci K. K. Likharev a D. V. Averin [1] . V roce 1996 ruští fyzici S. P. Gubin, V. V. Kolesov, E. S. Soldatov, A. S. Trifonov, V. V. Khanin, G. B. Khomutov, S. A. Jakovenko poprvé na světě vytvořili jednoelektronový molekulární nanoklastrový tranzistor pracující při pokojové teplotě [2] .[ význam skutečnosti? ]

Zařízení

Podobně jako polovodičový tranzistor s efektem pole má jednoelektronový tranzistor tři elektrody: zdroj, kolektor a hradlo. V oblasti mezi elektrodami jsou dva tunelové spoje , oddělené přídavnou kovovou nebo polovodičovou elektrodou s nízkou kapacitou, která se nazývá "ostrov" . Ostrov je nanočástice nebo shluk nanometrových velikostí, izolovaný od elektrod dielektrickými vrstvami, kterými se může elektron za určitých podmínek pohybovat. Elektrický potenciál ostrůvku lze řídit změnou napětí hradla, se kterým je ostrůvek kapacitně propojen. Pokud je mezi zdrojem a kolektorem napětí, pak, obecně řečeno, nepoteče žádný proud, protože elektrony jsou na nanočástici blokovány. Když potenciál na bráně překročí určitou prahovou hodnotu, Coulombova blokáda se zlomí, elektron projde bariérou a v obvodu zdroj-odvod začne proudit proud. V tomto případě bude proud v obvodu protékat po částech, což odpovídá pohybu jednotlivých elektronů. Řízením potenciálu brány je tedy možné projít jednotlivé elektrony přes Coulombovy bariéry. Počet elektronů v nanočástici by neměl být větší než 10 (a nejlépe méně). Toho lze dosáhnout v kvantových strukturách o velikosti řádově 10 nm .

Uvažujme kvantové stavy elektronu při různých potenciálech brány. V zablokovaném stavu nemá zdrojový elektron žádnou dostupnou energii v tunelovém rozsahu (červená tečka na obr. 2). Všechny úrovně s menší energií na ostrově jsou obsazené.

Když je na bránu aplikován kladný potenciál, energetické hladiny na ostrově se snižují. Elektron (zelená 1.) může tunelovat na ostrov (zelená 2.), obsadit volnou energetickou hladinu. Odtud může tunelovat do stoky (zelená 3.), kde se neelasticky rozptýlí a dosáhne tam úrovně Fermi (zelená 4.).

Hladiny energie na ostrově jsou rovnoměrně rozloženy; vzdálenost mezi nimi ( ) se rovná energii potřebné pro každý následující elektron , aby zasáhl ostrov s kapacitou . Čím nižší , tím více . K překonání coulombovské blokády musí být splněny tři podmínky: $\Delta E$ $C$ $C$ $\Delta E$

předpětí nemůže překročit nabíjecí energii;
tepelná energie musí být nižší než nabíjecí energie , nebo musí elektron projít kvantovou tečkou v důsledku tepelné excitace; $k_{B}T$ $E_{C}={\frac {e^{2}}{C}}$
tunelový odpor ( ) musí být větší než , což vyplývá z Heisenbergova principu neurčitosti . $R_{t}$ ${\frac {h}{e^{2))}$

Elementární teorie práce

Jeden elektronový tranzistor obsahuje dva tunelové přechody. Náboj pozadí dielektrika, ve kterém je ostrůvek umístěn, je označen a označují počet elektronů procházejících prvním a druhým tunelovým spojením. $q_{0}$ $n_{1}$ $n_{2}$

Odpovídající poplatky na první a druhé křižovatce tunelu a na ostrově lze zapsat jako:

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

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

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

kde a jsou parazitní svodové kapacity tunelových spojů. Vezmeme-li v úvahu vztah , lze získat následující hodnoty napětí na křižovatkách tunelů: $C_{1}$ $C_{2}$ $V_{b}=V_{1}+V_{2}$

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

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

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

Elektrostatická energie dvojité křižovatky tunelových křižovatek bude

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 }}}

Práce provedená při tunelování elektronů přes první a druhý přechod bude, v tomto pořadí:

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

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

Vezmeme-li v úvahu standardní definici volné energie ve tvaru:

F=E_{\Sigma }-W

kde najdeme volnou energii jednoelektronového tranzistoru: $E_{\Sigma }=E_{C}=\Delta E_{F}+E_{N}$

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)

Pro další úvahy je nutné znát změnu volné energie při nulových teplotách na obou křižovatkách tunelů:

\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})\vpravo]

Pravděpodobnost tunelového přechodu bude vysoká, když je změna volné energie záporná. Hlavní člen ve výše uvedených výrazech a určuje kladnou hodnotu , dokud použité napětí nepřekročí prahovou hodnotu, která závisí na nejmenší z kapacit. V obecném případě pro nenabitý ostrov ( , ), pro symetrické přechody ( ) máme podmínku $\Delta F$ $V_{b}$ $n=0$ $q_{0}=0$ $C_{1}=C_{2}=C$

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

(to znamená, že prahové napětí je sníženo na polovinu oproti jednomu přechodu).

Při nulovém aplikovaném napětí bude Fermiho hladina na kovových elektrodách uvnitř energetické mezery. Když napětí stoupne na prahovou hodnotu, dojde k tunelování zleva doprava, a když zpětné napětí stoupne nad prahovou hodnotu, dojde k tunelování zprava doleva.

Existence Coulombovy blokády je jasně vidět na proudově-napěťové charakteristice jednoelektronového tranzistoru (zákres kolektorového proudu versus hradlové napětí). Při nízkých (v absolutní hodnotě) napětí hradla bude odvod proudu nulový, a když napětí stoupne nad prahovou hodnotu, přechody se chovají jako ohmický odpor (případ stejné propustnosti přechodů) a proud se lineárně zvyšuje. Zde je třeba poznamenat, že náboj pozadí v dielektriku může nejen snížit, ale také zcela blokovat Coulombovu blokádu . $q_{0}=\pm \;(0,5+m)e$

V případě, kdy je propustnost tunelovacích bariér velmi rozdílná ( ), vzniká stupňovitá I–V charakteristika jednoelektronového tranzistoru. Elektron tuneluje k ostrůvku přes první spoj a je na něm zadržen díky vysoké hodnotě tunelovacího odporu druhého spoje. Po určité době elektron tuneluje druhým přechodem, ale tento proces způsobí, že druhý elektron tuneluje na ostrov prvním přechodem. Proto je většinou ostrov nabitý více než jedním nabitím. V případě s inverzní propustností ( ) bude ostrov neobydlený a jeho náboj bude postupně klesat. Teprve nyní lze pochopit princip činnosti jednoelektronového tranzistoru. Jeho ekvivalentní obvod lze znázornit jako sériové spojení dvou tunelových křižovatek, k jejichž spojovacímu bodu je připojena další řídicí elektroda (hradlo), která je s ostrůvkem spojena přes řídicí kapacitu . Elektroda brány může změnit náboj pozadí v dielektriku, protože brána dodatečně polarizuje ostrůvek tak, aby se náboj ostrova rovnal $R_{{T1}}\gg \;R_{{T2}}=R_{T}$ $R_{{T1}}\ll \;R_{{T2}}=R_{T}$ $C_{g}$

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

Nahrazením této hodnoty do výše uvedených vzorců najdeme nové hodnoty pro napětí na křižovatkách:

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 }}}

kde . Elektrostatická energie musí zahrnovat energii uloženou na hradlovém kondenzátoru a práce vykonaná hradlovým napětím musí být započítána do volné energie: $C_{\Sigma }=C_{1}+C_{2}+C_{g}$

\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]

Při nulových teplotách jsou povoleny pouze přechody se zápornou volnou energií: nebo . Tyto podmínky lze použít k nalezení oblastí stability v rovině . $\Delta F_{1}<0$ $\Delta F_{2}<0$ $V_{b}–V_{g}$

Jak se napětí hradla zvyšuje, zatímco napájecí napětí je udržováno pod napětím Coulombovy blokády (tj. ), výstupní proud kolektoru bude oscilovat s periodou . Tyto oblasti odpovídají poklesům v oblasti stability. Zde je třeba poznamenat, že oscilace tunelovacího proudu probíhají v čase a oscilace ve dvou sériově zapojených přechodech mají periodicitu vzhledem k řídicímu napětí hradla. Tepelné rozšíření oscilací se do značné míry zvyšuje s rostoucí teplotou. $V_{b}<e/C_{{\Sigma }}$ $e/C_{\Sigma }$

Směry výzkumu

Různá jednoelektronová zařízení lze získat zvýšením počtu tunelově spojených nanoostrovů. Jedním z takových zařízení je jednoelektronová past. Hlavní vlastností tohoto zařízení je tzv. bi- nebo multistabilní paměť vnitřního náboje. V jednoelektronové pasti, v určitém rozsahu napětí aplikovaném na bránu, může být jeden z nanoostrůvek (obvykle nejblíže k bráně) v jednom, dvou nebo více stabilních stavech nabití, tj. obsahovat jeden, dva nebo několik elektrony. Na tomto základě již dnes vznikají různé logické prvky, které se v blízké budoucnosti mohou stát elementární základnou nanopočítačů.

V roce 2008 oznámila skupina vědců z University of Manchester ( A. K. Geim , K. S. Novoselov , L. Ponomarenko a další) výsledky experimentu, který prokázal zásadní možnost vytvoření jednoelektronového tranzistoru o velikosti asi 10 nm. . Takový jednoelektronový tranzistor může být jediným prvkem budoucích grafenových mikroobvodů. Výzkumníci zabývající se grafenem se domnívají, že je možné zmenšit velikost kvantové tečky na 1 nm , přičemž fyzikální vlastnosti tranzistoru by se neměly měnit [3] .

Viz také

Coulombská blokáda

Poznámky

↑ Nanoelektronika. Zařízení založená na jednoelektronovém tunelování (nepřístupné spojení)
↑ Vyrobeno poprvé? Takže v Rusku! . Získáno 11. prosince 2009. Archivováno z originálu 19. března 2012. (neurčitý)
↑ Byl vytvořen prototyp jednoelektronového tranzistoru na bázi grafenu. (nedostupný odkaz)

Odkazy

Jednoelektronová zařízení s integrovanými oblastmi křemíkové vodivosti. Archivováno 10. října 2006 na Wayback Machine
Grafen pohřbí tranzistor? Archivováno 8. října 2010 na Wayback Machine

Om Kumar, Manjit Kaur, JEDINÝ ELEKTRONOVÝ TRANSISTOR: APLIKACE A PROBLÉMY / Mezinárodní časopis VLSI design & Communication Systems (VLSICS) Vol.1, No.4, prosinec 2010