Tranzistor cu un singur electron

Tranzistor cu un singur electron ( ing. Tranzistor cu un singur electron , SET ) este conceptul unui tranzistor care folosește capacitatea de a obține modificări notabile de tensiune atunci când manipulează electroni individuali . Această posibilitate există, în special, datorită fenomenului blocadei Coulomb .

Istorie

Pentru prima dată, posibilitatea creării de tranzistoare cu un singur electron pe baza blocadei Coulomb a fost raportată în 1986 de oamenii de știință sovietici K. K. Likharev și D. V. Averin [1] . În 1996, fizicienii ruși S. P. Gubin, V. V. Kolesov, E. S. Soldatov, A. S. Trifonov, V. V. Khanin, G. B. Khomutov, S. A. Yakovenko au creat pentru prima dată în lume un tranzistor cu nanocluster molecular cu un singur electron care funcționează la temperatura camerei [2] .[ semnificația faptului? ]

Dispozitiv

Similar unui tranzistor cu semiconductor cu efect de câmp, un tranzistor cu un singur electron are trei electrozi: o sursă, un dren și o poartă. În zona dintre electrozi există două joncțiuni de tunel , separate de un electrod suplimentar metalic sau semiconductor cu o capacitate scăzută, care se numește „insula” . Insula este o nanoparticulă sau un grup de dimensiuni nanometrice, izolată de electrozi prin straturi dielectrice, prin care electronul se poate mișca în anumite condiții. Potențialul electric al insulei poate fi controlat prin schimbarea tensiunii porții, cu care insula este cuplată capacitiv. Dacă se aplică o tensiune între sursă și scurgere, atunci, în general, nu va circula niciun curent, deoarece electronii sunt blocați pe nanoparticulă. Când potențialul de la poartă devine mai mare decât o anumită valoare de prag, blocada Coulomb se va rupe, electronul va trece prin barieră și curentul va începe să curgă în circuitul sursă-dren. În acest caz, curentul din circuit va curge în porțiuni, ceea ce corespunde mișcării electronilor individuali. Astfel, prin controlul potențialului de poartă, este posibil să treacă electroni unici prin barierele Coulomb. Numărul de electroni dintr-o nanoparticulă nu trebuie să fie mai mare de 10 (și de preferință mai mic). Acest lucru poate fi realizat în structuri cuantice cu o dimensiune de ordinul a 10 nm .

Să luăm în considerare stările cuantice ale unui electron la diferite potențiale de poartă. În starea blocată, electronul sursă nu are niveluri de energie disponibile în intervalul de tunel (punct roșu în Fig. 2). Toate nivelurile cu mai puțină energie de pe insulă sunt ocupate.

Când se aplică un potențial pozitiv la poartă, nivelurile de energie de pe insulă scad. Un electron (verde 1.) poate ajunge la o insulă (verde 2.), ocupând un nivel de energie liber. De aici, se poate tunel până la scurgere (verde 3.), unde se disipează inelastic și ajunge acolo la nivelul Fermi (verde 4.).

Nivelurile de energie de pe insulă sunt distribuite uniform; distanța dintre ele ( ) este egală cu energia necesară fiecărui electron ulterior pentru a lovi insula cu o capacitate . Cu cât mai jos , cu atât mai mult . Pentru a depăși blocajul Coulomb, trebuie îndeplinite trei condiții: $\Delta E$ $C$ $C$ $\Delta E$

tensiunea de polarizare nu poate depăși energia de încărcare;
energia termică trebuie să fie mai mică decât energia de încărcare sau electronul trebuie să treacă prin punctul cuantic din cauza excitației termice; $k_{B}T$ $E_{C}={\frac {e^{2}}{C}}$
rezistența tunelului ( ) trebuie să fie mai mare decât , ceea ce decurge din principiul incertitudinii Heisenberg . $R_{t}$ ${\frac {h}{e^{2))}$

Teoria elementară a muncii

Un singur tranzistor electronic conține două joncțiuni tunel. Sarcina de fundal a dielectricului în care se află insula este notată cu , și denotă numărul de electroni care traversează prima și, respectiv, a doua joncțiune de tunel. $q_{0}$ $n_{1}$ $n_{2}$

Taxele corespunzătoare la prima și a doua joncțiune de tunel și la insulă pot fi scrise ca:

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

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

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

unde si sunt capacitatile de scurgere parazite ale jonctiunilor tunelului. Luând în considerare relația , se pot obține următoarele valori ale tensiunilor la joncțiunile tunelului: $C_{1}$ $C_{2}$ $V_{b}=V_{1}+V_{2}$

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

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

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

Energia electrostatică a joncțiunii duble a joncțiunilor tunel va fi

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 }}}

Lucrarea efectuată în tunelarea electronilor prin prima și a doua tranziție va fi, respectiv:

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

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

Având în vedere definiția standard a energiei libere sub forma:

F=E_{\Sigma }-W

unde , găsim energia liberă a unui tranzistor cu un singur electron: $E_{\Sigma }=E_{C}=\Delta E_{F}+E_{N}$

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}\dreapta)

Pentru o analiză suplimentară, este necesar să se cunoască modificarea energiei libere la temperaturi zero la ambele joncțiuni de tunel:

\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})\dreapta]

\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]

Probabilitatea unei tranziții de tunel va fi mare atunci când schimbarea energiei libere este negativă. Termenul principal din expresiile de mai sus și determină o valoare pozitivă până când tensiunea aplicată depășește valoarea de prag, care depinde de cea mai mică dintre capacități. În cazul general, pentru o insulă neîncărcată ( , ), pentru tranziții simetrice ( ), avem condiția $\Delta F$ $V_{b}$ $n=0$ $q_{0}=0$ $C_{1}=C_{2}=C$

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

(adică tensiunea de prag este redusă la jumătate față de o tranziție).

La tensiune aplicată zero, nivelul Fermi de pe electrozii metalici va fi în interiorul golului de energie. Când tensiunea crește la valoarea de prag, are loc tunelarea de la stânga la dreapta, iar când tensiunea inversă crește peste prag, are loc tunelarea de la dreapta la stânga.

Existența blocadei Coulomb este vizibilă în mod clar pe caracteristica curent-tensiune a unui tranzistor cu un singur electron (graficul curentului de scurgere versus tensiunea de poartă). La tensiuni de poartă scăzute (în valoare absolută), curentul de scurgere va fi zero, iar când tensiunea crește peste prag, joncțiunile se comportă ca o rezistență ohmică (cazul aceleiași permeabilitati a joncțiunilor) iar curentul crește liniar. Trebuie remarcat aici că sarcina de fundal din dielectric poate nu numai să reducă, ci și să blocheze complet blocada Coulomb . $q_{0}=\pm \;(0,5+m)e$

În cazul în care permeabilitatea barierelor de tunel este foarte diferită ( ), apare o caracteristică I-V treptată a unui tranzistor cu un singur electron. Electronii se îndreaptă spre insulă prin prima joncțiune și sunt reținuți pe ea datorită valorii mari a rezistenței de tunel a celei de-a doua joncțiuni. După o anumită perioadă de timp, electronii se îndreaptă spre a doua tranziție, dar acest proces face ca cel de-al doilea electron să treacă în tunel către insulă prin prima tranziție. Prin urmare, de cele mai multe ori insula este taxată cu mai mult de o taxă. Pentru cazul cu permeabilitate inversă ( ), insula va fi nepopulată și încărcarea sa va scădea treptat. Abia acum se poate înțelege principiul de funcționare al unui tranzistor cu un singur electron. Circuitul său echivalent poate fi reprezentat ca o conexiune în serie a două joncțiuni de tunel, la punctul de conectare căruia se adaugă un alt electrod de control (poartă), care este conectat la insulă printr-o capacitate de control . Electrodul de poartă poate modifica sarcina de fundal în dielectric, deoarece poarta polarizează suplimentar insula, astfel încât sarcina insulei devine egală cu $R_{{T1}}\gg \;R_{{T2}}=R_{T}$ $R_{{T1}}\ll \;R_{{T2}}=R_{T}$ $C_{g}$

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

Înlocuind această valoare în formulele găsite mai sus, găsim noi valori pentru tensiunile la joncțiuni:

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 }}}

unde . Energia electrostatică trebuie să includă energia stocată pe condensatorul de poartă, iar munca efectuată de tensiunea de poartă trebuie luată în considerare în energia liberă: $C_{\Sigma }=C_{1}+C_{2}+C_{g}$

\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]

La temperaturi zero sunt permise doar tranzițiile cu energie liberă negativă: sau . Aceste condiții pot fi folosite pentru a găsi regiunile de stabilitate în plan . $\Delta F_{1}<0$ $\Delta F_{2}<0$ $V_{b}-V_{g}$

Pe măsură ce tensiunea de poartă crește în timp ce tensiunea de alimentare este menținută sub tensiunea de blocare Coulomb (adică ), curentul de ieșire a drenului va oscila cu o perioadă de . Aceste zone corespund scăderilor în zona de stabilitate. Trebuie remarcat aici că oscilațiile curentului de tunel au loc în timp, iar oscilațiile în două joncțiuni conectate în serie au o periodicitate în raport cu tensiunea de control al porții. Lărgirea termică a oscilațiilor crește în mare măsură odată cu creșterea temperaturii. $V_{b}<e/C_{{\Sigma }}$ $e/C_{\Sigma }$

Direcții de cercetare

Pot fi obținute diferite dispozitive cu un singur electron prin creșterea numărului de nanoinsule cuplate în tunel. Un astfel de dispozitiv este capcana cu un singur electron. Proprietatea principală a acestui dispozitiv este așa-numita memorie internă de încărcare bi- sau multistabilă. Într-o capcană cu un singur electron, într-un anumit interval de tensiune aplicat porții, una dintre nanoinsulele (de obicei cele mai apropiate de poartă) poate fi în una, două sau mai multe stări de încărcare stabilă, adică să conțină una, două sau mai multe electroni. Pe această bază, astăzi sunt deja create diverse elemente logice, care în viitorul apropiat ar putea deveni elementul de bază al nanocalculatoarelor.

În 2008, un grup de oameni de știință de la Universitatea din Manchester ( A. K. Geim , K. S. Novoselov , L. Ponomarenko și alții) au raportat rezultatele unui experiment care a demonstrat posibilitatea fundamentală de a crea un tranzistor cu un singur electron cu o dimensiune de aproximativ 10 nm . Un astfel de tranzistor cu un singur electron poate fi un singur element al viitoarelor microcircuite cu grafen. Cercetătorii în grafen cred că este posibil să se reducă dimensiunea unui punct cuantic la 1 nm , în timp ce caracteristicile fizice ale tranzistorului nu ar trebui să se schimbe [3] .

Vezi și

Blocada Coulomb

Note

↑ Nanoelectronica. Dispozitive bazate pe tunelare cu un singur electron (link inaccesibil)
↑ Realizat pentru prima dată? Deci, în Rusia! . Consultat la 11 decembrie 2009. Arhivat din original la 19 martie 2012. (nedefinit)
↑ A fost creat un prototip de tranzistor pe bază de grafen cu un singur electron. (link indisponibil)

Link -uri

Dispozitive cu un singur electron cu regiuni integrate de conducție de siliciu. Arhivat pe 10 octombrie 2006 la Wayback Machine
Grafenul va îngropa tranzistorul? Arhivat pe 8 octombrie 2010 la Wayback Machine

Om Kumar, Manjit Kaur, TRANZISTOR SINGUR ELECTRON: APLICAȚII ȘI PROBLEME / Jurnalul internațional al sistemelor de proiectare și comunicații VLSI (VLSICS) Vol.1, No.4, decembrie 2010