Blocare Coulomb

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

În fizică cu blocada Coulomb (traducere din engleza Coulomb blockade care are acronimul CB ) indică creșterea rezistenței electrice pentru diferențe de potențial mici ale unui dispozitiv electronic de capacitate electrică mică. Datorită CB-ului, rezistența electrică a unor dispozitive nu este constantă la o tensiune redusă de alimentare și devine foarte mare, aproape infinită, pentru unele valori de polarizare (adică fără curenți). În general, astfel de fenomene sunt observate atunci când dispozitivele sunt foarte mici (câțiva nm), de exemplu în puncte cuantice . Dacă dispozitivul este suficient de mic, prezența unui electron în interiorul dispozitivului creează o puternică repulsie Coulomb care împiedică intrarea altor electroni (și, prin urmare, curentul circulant merge la zero). Caracteristica curent-tensiune în loc să fie o linie dreaptă, ca în cazul legii lui Ohm, seamănă mai mult cu o scară.

Blocul Coulomb într-o joncțiune de tunel

Joncțiunea tunelului este, în cea mai simplă formă, o barieră subțire de izolare între doi electrozi conductori. Dacă electrozii sunt supraconductori , perechile Cooper (cu o sarcină elementară de doi electroni) transportă curentul. Dacă, pe de altă parte, electrozii sunt realizați din metale normale (non-supraconductoare), purtătorii de sarcină ai curentului sunt electronii.

În electrodinamica clasică , niciun curent nu poate circula printr-o barieră izolatoare. În schimb, conform legilor mecanicii cuantice , dacă bariera este suficient de subțire există o probabilitate diferită de zero ca un purtător de sarcină (electron sau pereche Cooper) să traverseze bariera prin tunelare . Când se aplică o tensiune de polarizare, va exista un curent de tunel proporțional cu tensiunea aplicată. Dar, spre deosebire de legea lui Ohm, rezistența joncțiunii depinde exponențial de grosimea barierei (în timp ce în legea lui Ohm rezistența depinde invers de grosimea izolației non-perfecte). În practică, un curent de tunel poate fi observat numai pentru barierele de câțiva nanometri .

Doi conductori separați de un izolator au nu numai rezistență la tunel, ci și capacitate finită. Dacă capacitatea este suficient de mică, cuantificarea sarcinii afectează electrodinamica dispozitivului. Datorită cuantificării sarcinii electrice, curentul printr-o joncțiune de tunel este o serie de evenimente în care exact un purtător de sarcină trece prin bariera tunelului (neglijând faptul că doi purtători de sarcină pot trece simultan). Când capacitatea joncțiunii a dobândit o sarcină elementară prin tunelare, se dezvoltă o diferență de potențial între cei doi electrozi , unde este este sarcina elementară a 1,6 × 10 −19 coulomb e capacitatea articulației. Dacă capacitatea este suficient de mică (fracțiuni de fF), diferența de potențial dezvoltată poate fi suficient de mare pentru a preveni tunelarea unui alt electron. Prin urmare, pentru unele valori ale tensiunii de polarizare (în general tensiuni scăzute), curentul de circulație este suprimat. Pentru aceste valori ale tensiunii de polarizare există o creștere notabilă a rezistenței diferențiale, acest fenomen se numește bloc Coulomb.

Realizarea fizică

Pentru a putea observa fenomenul CB, temperatura trebuie să fie suficient de scăzută, astfel încât energia necesară pentru a adăuga un electron la joncțiune să fie mult mai mare decât energia termică:

unde este este constanta Boltzmann e temperatura.

Diagrama unui singur tranzistor de electroni.

Până acum câțiva ani nu era posibilă fabricarea joncțiunilor cu capacitate mai mică de 1 femtofarad (10 -15 farad ), ceea ce a forțat să observe QB numai la temperaturi sub 1 K. Această temperatură poate fi obținută cu răcitoare de diluare , dar reprezintă o dificultate experimentală clară. În prezent, cu puncte cuantice de doar câțiva nanometri, CB a fost observat la temperaturi mai ridicate, până la temperatura camerei. [1] [2]

Pentru a face o joncțiune de tunel în geometria unui condensator cu față plană, cu o capacitate de ordinul mărimii de 1 femtofarad, folosind un oxid de constantă dielectrică relativă de 10 și 1 nm grosime, trebuie să fabricați electrozi cu dimensiuni de aproximativ 100x100 nm. În anii 1970, litografia electronică nu a permis producerea unor astfel de zone mici într-o manieră reproductibilă, cu toate acestea, folosind o anumită tehnică de evaporare în acei ani [3] a fost dezvoltată o tehnică care, prin exploatarea umbrei unui pod suspendat, a permis realizarea unor astfel de dispozitive, această tehnologie este încă utilizată în laboratoarele de cercetare. Dar încă din 2005 realizarea integrării dispozitivelor la scară largă cu dimensiuni tipice de 90 nm era normală. Deci, mai recent, a fost posibilă integrarea punctelor cuantice cu tehnici microelectronice, cum ar fi procesele CMOS [4] , adică a fost posibil să se demonstreze că este posibil să se producă tranzistoare cu un singur electron cu dimensiunea canalului mai mică de 20 nm x 20 nm.

Tranzistor cu un singur electron

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: tranzistor cu un singur electron .
De la stânga la dreapta: nivelurile de energie ale sursei , insulei și scurgerii într-un singur tranzistor de electroni în starea de blocare (sus) și de transmisie (jos).
Sârmă de niobiu tranzistor cu un singur electron supraconductor și insulă din aluminiu .

Cel mai simplu dispozitiv în care poate fi observat efectul de blocare Coulomb este așa-numitul tranzistor cu un singur electron , pentru care se folosește adesea acronimul SET din tranzistorul cu un singur electron englezesc. De fapt, seamănă mai mult cu un dispozitiv cu efect de câmp, cum ar fi MOSFET, iar numele date diferitelor părți sunt preluate din nomenclatura utilizată pentru astfel de dispozitive. Dispozitivul prezentat în figură constă din doi electrozi cunoscuți sub numele de dren și sursă , conectați prin joncțiuni de tunel la un electrod comun cu capacitate proprie , indicat în figură ca QD ( punct cuantic ), în realitate este un conductor izolat pe care îl vom cheamă o insulă. Potențialul la care este adusă insula depinde de cel al unui al treilea electrod cunoscut sub numele de poartă , care este conectat doar capacitiv la insulă (nu există curent de tunel între ele). Caracteristica curent-tensiune este periodică între un curent maxim (conducție) și minim (bloc) cu o periodicitate dată exact de sarcina elementară indusă în conductorul izolat.

În starea de blocare nu există niveluri de energie accesibile (din acest motiv, electronul de la sursă este tras în roșu). Toate celelalte niveluri minore de energie de pe insulă sunt ocupate. Când se aplică un potențial pozitiv la poartă, nivelurile de energie de pe insulă sunt reduse, astfel încât electronul este tras în verde pe sursă , deoarece poate tunela la nivelul care anterior era liber, dar inaccesibil și poate fi colectat de dren .

Distanța nivelurilor de energie este egală cu:

Pentru a bloca Coulomb sunt necesare următoarele condiții:

  1. Tensiunea de polarizare trebuie să fie mai mică decât sarcina elementară împărțită la capacitatea proprie a insulei ;
  2. Energie termală trebuie să fie mult mai mică decât energia de încărcare: pentru a evita ca în timpul blocării sau excitației termice să se golească nivelurile pline inferioare și, prin urmare, să permită trecerea curentului.
  3. Capacitățile joncțiunilor tunelului „sursă” și „de scurgere” ale insulei trebuie să fie mici în comparație cu capacitatea proprie a insulei. Efectul acestor capacități este de a crește capacitatea efectivă a insulei.
  4. Rezistența tunelurilor, trebuie să fie mai mare decât datorită principiului incertitudinii Heisenberg [5] .

Notă

  1. ^ ODD Couto și J Puebla, Controlul încărcării în puncte cuantice unice InP / (Ga, In) P încorporate în diode Schottky , în Physical Review B , vol. 84, 2011, Bibcode : 2011PhRvB..84l5301C , DOI : 10.1103 / PhysRevB.84.125301 , arXiv : 1107.2522 .
  2. ^ SJ Shin, JJ Lee, HJ Kang, JB Choi, S. -RE Yang, Y. Takahashi și DG Hasko, Stabilitatea încărcării la temperatura camerei modulată prin efecte cuantice într-o insulă de siliciu la nano- scară , în Nano Letters , vol. 11, n. 4, 2011, pp. 1591-1597, Bibcode : 2011NanoL..11.1591S , DOI : 10.1021 / nl1044692 , PMID 21446734 , arXiv : 1201.3724 .
  3. ^ J. Niemeyer, PTB-Mitt. 84 , 251 (1974)
  4. ^ E. Prati, M. De Michielis, M. Belli, S. Cocco, M. Fanciulli, D. Kotekar-Patil, M. Ruoff, DP Kern, DA Wharam, J. Verduijn, GC Tettamanzi, S. Rogge, B Roche, R. Wacquez, X. Jehl, M. Vinet și M. Sanquer, Puține limite electronice ale tranzistoarelor cu un singur electron semiconductor cu oxid de metal tip n , în Nanotehnologie , vol. 23, n. 21, 2012, p. 215204, Bibcode : 2012Nanot..23u5204P , DOI : 10.1088 / 0957-4484 / 23/21/215204 , PMID 22552118 , arXiv : 1203.4811 .
  5. ^ (EN) Tunel de rezistență minimă pentru încărcarea cu un singur electron , pe iue.tuwien.ac.at.

Bibliografie

  • ( EN ) Tunelare cu încărcare unică: fenomene de blocare Coulomb în nanostructuri , eds. H. Grabert și MH Devoret (Plenum Press, New York, 1992)
  • ( EN ) DV Averin și KK Likharev, în Mesoscopic Phenomena in Solids , eds. BL Altshuler, PA Lee și RA Webb (Elsevier, Amsterdam, 1991)
  • Fulton, TA & Dolan, GJ "Observarea efectelor de încărcare cu un singur electron în joncțiunile tunelului mic" Phys. Rev. Lett. 59 , 109-112 (1987), DOI : 10.1103 / PhysRevLett. 59.109

Alte proiecte

linkuri externe