Tranzistor cu un singur electron

Diagrama de bază a unui SET, incluzând diferiții parametri care descriu dispozitivul.

Un tranzistor cu un singur electron (Single Electron Transistor - SET) este un dispozitiv electronic bazat pe efectul blocării Coulomb (blocada Coulomb, în engleză). Într-un astfel de dispozitiv, electronii curg de la sursă și drenează contactele într-un punct cuantic (un punct cuantic , un sistem cuantic limitat în toate cele trei dimensiuni spațiale) prin joncțiuni de tunel. Potențialul electric al punctului cuantic sau „insulă” de electroni poate fi manipulat de un al treilea electrod, poarta, cuplat capacitiv cu insula însăși. Fig. 1 prezintă o schemă de bază a unui SET, în care insula, controlată de electrodul de poartă prin intermediul condensatorului C _G , este cuplată la sursa și contactele de drenare prin joncțiuni de tunel modelate ca o paralelă a unui rezistor (R _D sau R _S ) și un condensator (C _D sau C _S ). ^[1]

Istorie

Când David Thouless a observat în 1977 că dimensiunea unui conductor, dacă este suficient de mică, ar putea afecta proprietățile sale electronice, el a inițiat un nou domeniu al fizicii materiei. ^[2] Cercetarea care a urmat în anii 1980 este cunoscută sub numele de fizică mezoscopică și privește sistemele cu o dimensiune caracteristică mai mică de un micron. ^[3] A fost punctul de plecare pentru tranzistoarele cu un singur electron.

Primul tranzistor cu un singur electron bazat pe fenomenul de blocare Coulomb a fost raportat în 1986 de oamenii de știință sovietici KK Likharev și DV Averin. ^[4] Câțiva ani mai târziu, T. Fulton și G. Dolan de la Bell Labs din Statele Unite au fabricat și au demonstrat un astfel de dispozitiv. ^[5] În 1992, Marc A. Kastner a demonstrat importanța nivelurilor de energie cuantică a punctelor. ^[6] La sfârșitul anilor 1990 și începutul anilor 2000 oamenii de știință ruși SP Gubin, V. V Kolesov, ES Soldatov, AS Trifonov, VV Khanin, GB Khomutov și SA Yakovenko au fost primii care au dezvoltat un SET bazat pe o moleculă care funcționează la temperatura camerei. ^[7]

Relevanţă

Importanța crescândă a internetului obiectelor și a aplicațiilor legate de îngrijirea sănătății fac ca parametrul consumului de energie în dispozitivele electronice să fie de o importanță fundamentală, atât de mult încât unul dintre subiectele majore de cercetare în domeniul electronicii la nivel mondial este reprezentat de studiul ultra -dispozitive de mică putere. Numărul mare de computere mici și dispozitive electronice care sunt răspândite și utilizate zilnic (telefoane mobile și dispozitive de automatizare a locuinței, de exemplu) necesită o cantitate semnificativă de energie pentru a funcționa. În acest scenariu, SET apare ca un candidat potrivit pentru a obține un consum redus, dar în același timp un nivel ridicat de integrare.

Câteva exemple de câmpuri de aplicație: electrometre super-sensibile, spectroscopie cu un singur electron, definirea standardelor pentru măsurarea curentului continuu, definirea standardelor pentru măsurarea temperaturii, detectarea radiațiilor infraroșii, dispozitive logice bazate pe niveluri de tensiune sau de încărcare sau pe SET-uri programabile. ^[8]

Dispozitivul

Principiul de funcționare

Diagrama unui singur tranzistor de electroni.

Pe lângă FET (tranzistor cu efect de câmp, în engleză tranzistor cu efect de câmp), SET are trei electrozi, în jargon: sursă, drenaj și poartă (termenii englezi au devenit acum termeni tehnici și în limba italiană). Diferența tehnologică majoră dintre SET și FET este chiar conceptul canalului prin care trece curentul electric. În timp ce într-un FET canalul trece de la izolare la conductiv după aplicarea unei tensiuni de poartă, în SET canalul este întotdeauna izolator. Electrozii sursă și de scurgere sunt cuplați prin două joncțiuni de tunel , separate printr-un punct cuantic metalic sau semiconductor (QD) ^[9] , adesea denumit și „insulă”. Potențialul electric al QD poate fi variat prin intermediul electrodului de poartă, la care este cuplat capacitiv. Prin aplicarea unei tensiuni adecvate este posibil să se schimbe starea QD de la blocat la neblocat, permițând tunelarea electronilor din și către QD. Acest fenomen este în general cunoscut sub numele de blocare Coulomb .

Aplicarea unei tensiuni $V_{SD}$ ${\ displaystyle V_ {SD}}$ ${\ displaystyle V_ {SD}}$ între scurgere și sursă, se dezvoltă un curent $THE$ ${\ displaystyle I}$ $THE$ definit de legea lui Ohm , $I={\frac {V_{SD}}{R}}$ ${\ displaystyle I = {\ frac {V_ {SD}} {R}}}$ ${\ displaystyle I = {\ frac {V_ {SD}} {R}}}$ . În această expresie, rezistență $R.$ ${\ displaystyle R}$ $R.$ este definit de efectele de tunelare legate de mișcarea electronilor de la sursă la QD și de la QD la drenaj. Tensiunea $V_{G}$ ${\ displaystyle V_ {G}}$ $V_G$ controlează rezistența cuantică a punctelor, care la rândul său determină curentul. Rezultatul general este destul de similar cu ceea ce se întâmplă într-un FET, cu toate acestea, trecând de la scările de lungime macroscopice la nanoscală, efectele cuantice intră în joc.

De la stânga la dreapta: niveluri de energie de sursă, insulă și drenaj într-un singur tranzistor de electroni în starea blocată (caseta superioară) și în starea deblocată (caseta inferioară).

Ne referim la figura din lateral. Când QD este în starea blocată, toate nivelurile de energie mai mici decât sursa și cele de drenaj sunt ocupate și niciunul dintre nivelurile de energie neocupate nu sunt energie accesibilă de către electronii care vin din sursă (punct roșu). Când un electron de la sursă (punctul verde 1.) tunelează către QD în starea deblocată (2.), va umple cel mai scăzut nivel de energie goală, ceea ce va ridica bariera energetică a QD, scoțându-l din distanța de tunelare a 'alta data. Electronul va continua să tuneleze prin a doua joncțiune de tunel (3.), după care suferă fenomene de împrăștiere inelastică și atinge nivelul Fermi al electrodului de scurgere (4.).

Nivelurile de energie ale QD sunt distanțate uniform cu o cantitate $\Delta E$ ${\ displaystyle \ Delta E}$ $\ Delta E$ . Acest lucru dă naștere unei capacități $C.$ ${\ displaystyle C}$ $C.$ propriu insulei definite ca $C={\frac {e^{2}}{\Delta E}}$ ${\ displaystyle C = {\ frac {e ^ {2}} {\ Delta E}}}$ ${\ displaystyle C = {\ frac {e ^ {2}} {\ Delta E}}}$ . Pentru a obține regimul de blocare Coulomb trebuie îndeplinite trei criterii: ^[10]

Tensiunea de polarizare trebuie să fie mai mică decât sarcina elementară împărțită la capacitatea insulei: $V_{bias}<{\frac {e}{C}}$ ${\ displaystyle V_ {bias} <{\ frac {e} {C}}}$ ${\ displaystyle V_ {bias} <{\ frac {e} {C}}}$
Energia termică la contactul sursă și energia termică a punctului cuantic, adică $k_{B}T$ ${\ displaystyle k_ {B} T}$ ${\ displaystyle k_ {B} T}$ , trebuie să fie mai mică decât energia de încărcare: $k_{B}T\ll {\frac {e^{2}}{2C}}$ ${\ displaystyle k_ {B} T \ ll {\ frac {e ^ {2}} {2C}}}$ ${\ displaystyle k_ {B} T \ ll {\ frac {e ^ {2}} {2C}}}$ , altfel ar intra în joc fenomene de excitație termică.
Rezistența tunelului, $R_{T}$ ${\ displaystyle R_ {T}}$ ${\ displaystyle R_ {T}}$ , trebuie să fie mai mare decât cantitatea ${\frac {h}{2\pi e^{2}}}$ ${\ displaystyle {\ frac {h} {2 \ pi e ^ {2}}}}$ ${\ displaystyle {\ frac {h} {2 \ pi e ^ {2}}}}$ ( ${\frac {h}{e^{2}}}$ ${\ displaystyle {\ frac {h} {e ^ {2}}}}$ ${\ displaystyle {\ frac {h} {e ^ {2}}}}$ se mai numește constantă von Klitzing ), derivată din principiul incertitudinii lui Heisenberg : ^[11] condiția este obținută din principiul incertitudinii prin stabilirea $\Delta E={\frac {e^{2}}{2C}}$ ${\ displaystyle \ Delta E = {\ frac {e ^ {2}} {2C}}}$ ${\ displaystyle \ Delta E = {\ frac {e ^ {2}} {2C}}}$ (relație care poate fi derivată din energia stocată într-un condensator) e $\Delta t=R_{T}C$ ${\ displaystyle \ Delta t = R_ {T} C}$ ${\ displaystyle \ Delta t = R_ {T} C}$ (relație care se obține pe baza constantelor de timp dintr-un circuit RC). Astfel obținem: $\Delta E\Delta t=\left({\frac {e^{2}}{2C}}\right)(R_{T}C)\geq ({\frac {\hbar }{2}})$ ${\ displaystyle \ Delta E \ Delta t = \ left ({\ frac {e ^ {2}} {2C}} \ right) (R_ {T} C) \ geq ({\ frac {\ hbar} {2} })}$ ${\ displaystyle \ Delta E \ Delta t = \ left ({\ frac {e ^ {2}} {2C}} \ right) (R_ {T} C) \ geq ({\ frac {\ hbar} {2} })}$ , unde este $(R_{T}C)$ ${\ displaystyle (R_ {T} C)}$ ${\ displaystyle (R_ {T} C)}$ este de fapt timpul de tunelare $\tau$ ${\ displaystyle \ tau}$ $\ tau$ și este prezentat în figura schematică a componentelor electrice din interiorul SETului ca $C_{S}R_{S}$ ${\ displaystyle C_ {S} R_ {S}}$ ${\ displaystyle C_ {S} R_ {S}}$ Și $C_{D}R_{D}$ ${\ displaystyle C_ {D} R_ {D}}$ ${\ displaystyle C_ {D} R_ {D}}$ . Vremea $\tau$ ${\ displaystyle \ tau}$ $\ tau$ de tunelare electronică prin barieră se presupune că este neglijabilă în comparație cu celelalte scale de timp. Această ipoteză este valabilă pentru barierele de tunel ale tranzistoarelor cu un singur electron de interes practic, unde $\tau \approx 10^{-15}s$ ${\ displaystyle \ tau \ approx 10 ^ {- 15} s}$ ${\ displaystyle \ tau \ approx 10 ^ {- 15} s}$ Dacă rezistența tuturor barierelor tunelului din sistem este mult mai mare decât cuantumul rezistenței, $R_{t}={\frac {h}{2\pi e^{2}}}$ ${\ displaystyle R_ {t} = {\ frac {h} {2 \ pi e ^ {2}}}}$ ${\ displaystyle R_ {t} = {\ frac {h} {2 \ pi e ^ {2}}}}$ , este suficient pentru a limita electronii la insulă și este corect să ignori fenomene cuantice coerente, cum ar fi evenimente de tunelare simultane (co-tunelare).

Teorie

Indicăm cu $q_{0}$ ${\ displaystyle q_ {0}}$ $q_0$ sarcina de fundal a dielectricului care înconjoară QD, cu $n$ ${\ displaystyle n}$ $n$ numărul total de electroni și cu $n_{S}$ ${\ displaystyle n_ {S}}$ ${\ displaystyle n_ {S}}$ Și $n_{D}$ ${\ displaystyle n_ {D}}$ ${\ displaystyle n_ {D}}$ numărul de electroni care tunelează prin cele două joncțiuni ale tunelului. Sarcinile electrice corespunzătoare la joncțiunile tunelului pot fi scrise ca:

$q_{S}=C_{S}V_{S}$ ${\ displaystyle q_ {S} = C_ {S} V_ {S}}$ ${\ displaystyle q_ {S} = C_ {S} V_ {S}}$ ,

$q_{D}=C_{D}V_{D}$ ${\ displaystyle q_ {D} = C_ {D} V_ {D}}$ ${\ displaystyle q_ {D} = C_ {D} V_ {D}}$ ,

$q=q_{D}-q_{S}+q_{0}=-ne+q_{0}$ ${\ displaystyle q = q_ {D} -q_ {S} + q_ {0} = - ne + q_ {0}}$ ${\ displaystyle q = q_ {D} -q_ {S} + q_ {0} = - ne + q_ {0}}$ ,

unde este $C_{S}$ ${\ displaystyle C_ {S}}$ $C_ {S}$ Și $C_{D}$ ${\ displaystyle C_ {D}}$ $CD}$ sunt capacitățile celor două joncțiuni tunel. Având în vedere tensiunea de polarizare $V_{bias}=V_{S}+V_{D}$ ${\ displaystyle V_ {bias} = V_ {S} + V_ {D}}$ ${\ displaystyle V_ {bias} = V_ {S} + V_ {D}}$ , căderile de tensiune la cele două joncțiuni ale tunelului pot fi rezolvate:

$V_{S}={\frac {C_{D}V_{bias}+ne-q_{0}}{C_{S}+C_{D}}}$ ${\ displaystyle V_ {S} = {\ frac {C_ {D} V_ {bias} + ne-q_ {0}} {C_ {S} + C_ {D}}}}$ ${\ displaystyle V_ {S} = {\ frac {C_ {D} V_ {bias} + ne-q_ {0}} {C_ {S} + C_ {D}}}}$ ,

$V_{D}={\frac {C_{S}V_{bias}-ne+q_{0}}{C_{S}+C_{D}}}$ ${\ displaystyle V_ {D} = {\ frac {C_ {S} V_ {bias} -ne + q_ {0}} {C_ {S} + C_ {D}}}}$ ${\ displaystyle V_ {D} = {\ frac {C_ {S} V_ {bias} -ne + q_ {0}} {C_ {S} + C_ {D}}}}$ .

Energia electrostatică a unei joncțiuni de tunel conectate pe ambele părți (ca cea prezentată în diagramă) va fi:

$E_{C}={\frac {q_{S}^{2}}{2C_{S}}}+{\frac {q_{D}^{2}}{2C_{D}}}={\frac {C_{S}C_{D}V_{bias}^{2}+(ne-q_{0})^{2}}{C_{S}+C_{D}}}$ ${\ displaystyle E_ {C} = {\ frac {q_ {S} ^ {2}} {2C_ {S}}} + {\ frac {q_ {D} ^ {2}} {2C_ {D}}} = {\ frac {C_ {S} C_ {D} V_ {bias} ^ {2} + (ne-q_ {0}) ^ {2}} {C_ {S} + C_ {D}}}}$ ${\ displaystyle E_ {C} = {\ frac {q_ {S} ^ {2}} {2C_ {S}}} + {\ frac {q_ {D} ^ {2}} {2C_ {D}}} = {\ frac {C_ {S} C_ {D} V_ {bias} ^ {2} + (ne-q_ {0}) ^ {2}} {C_ {S} + C_ {D}}}}$ .

Lucrările necesare pentru realizarea celor două fenomene de tunelare vor fi:

$W_{S}={\frac {n_{S}eV_{bias}C_{D}}{C_{S}+C_{D}}}$ ${\ displaystyle W_ {S} = {\ frac {n_ {S} eV_ {bias} C_ {D}} {C_ {S} + C_ {D}}}}$ ${\ displaystyle W_ {S} = {\ frac {n_ {S} eV_ {bias} C_ {D}} {C_ {S} + C_ {D}}}}$ ,

$W_{D}={\frac {n_{D}eV_{bias}C_{S}}{C_{S}+C_{D}}}$ ${\ displaystyle W_ {D} = {\ frac {n_ {D} eV_ {bias} C_ {S}} {C_ {S} + C_ {D}}}}$ ${\ displaystyle W_ {D} = {\ frac {n_ {D} eV_ {bias} C_ {S}} {C_ {S} + C_ {D}}}}$ .

Din definiția standard a energiei libere:

$F=E_{tot}-W$ ${\ displaystyle F = E_ {tot} -W}$ ${\ displaystyle F = E_ {tot} -W}$ ,

unde este $E_{tot}=\Delta E_{F}+E_{N}$ ${\ displaystyle E_ {tot} = \ Delta E_ {F} + E_ {N}}$ ${\ displaystyle E_ {tot} = \ Delta E_ {F} + E_ {N}}$ , energia liberă a unui SET este:

$F(n,n_{S},n_{D})=E_{C}-W={\frac {1}{C_{S}+C_{D}}}\left({\frac {1}{2}}C_{S}C_{D}V_{bias}^{2}+(ne-q_{0})^{2}+eV_{bias}C_{S}n_{D}+C_{D}n_{S}\right)$ ${\ displaystyle F (n, n_ {S}, n_ {D}) = E_ {C} -W = {\ frac {1} {C_ {S} + C_ {D}}} \ left ({\ frac { 1} {2}} C_ {S} C_ {D} V_ {bias} ^ {2} + (ne-q_ {0}) ^ {2} + eV_ {bias} C_ {S} n_ {D} + C_ {D} n_ {S} \ dreapta)}$ ${\ displaystyle F (n, n_ {S}, n_ {D}) = E_ {C} -W = {\ frac {1} {C_ {S} + C_ {D}}} \ left ({\ frac { 1} {2}} C_ {S} C_ {D} V_ {bias} ^ {2} + (ne-q_ {0}) ^ {2} + eV_ {bias} C_ {S} n_ {D} + C_ {D} n_ {S} \ dreapta)}$ .

Pentru a face considerații suplimentare, este necesar să cunoaștem variația energiei libere la zero absolut pentru ambele joncțiuni ale tunelului:

$\Delta F_{S}^{\pm }=F(n\pm 1,n_{S}\pm 1,n_{D})-F(n,n_{S},n_{D})={\frac {e}{C_{S}+C_{D}}}\left({\frac {e}{2}}\pm (V_{bias}C_{D}+ne-q_{0})\right)$ ${\ displaystyle \ Delta F_ {S} ^ {\ pm} = F (n \ pm 1, n_ {S} \ pm 1, n_ {D}) - F (n, n_ {S}, n_ {D}) = {\ frac {e} {C_ {S} + C_ {D}}} \ left ({\ frac {e} {2}} \ pm (V_ {bias} C_ {D} + ne-q_ {0} ) \ dreapta)}$ ${\ displaystyle \ Delta F_ {S} ^ {\ pm} = F (n \ pm 1, n_ {S} \ pm 1, n_ {D}) - F (n, n_ {S}, n_ {D}) = {\ frac {e} {C_ {S} + C_ {D}}} \ left ({\ frac {e} {2}} \ pm (V_ {bias} C_ {D} + ne-q_ {0} ) \ dreapta)}$ ,

$\Delta F_{D}^{\pm }=F(n\pm 1,n_{S},n_{D}\pm 1)-F(n,n_{S},n_{D})={\frac {e}{C_{S}+C_{D}}}\left({\frac {e}{2}}\pm (V_{bias}C_{S}+ne-q_{0})\right)$ ${\ displaystyle \ Delta F_ {D} ^ {\ pm} = F (n \ pm 1, n_ {S}, n_ {D} \ pm 1) -F (n, n_ {S}, n_ {D}) = {\ frac {e} {C_ {S} + C_ {D}}} \ left ({\ frac {e} {2}} \ pm (V_ {bias} C_ {S} + ne-q_ {0} ) \ dreapta)}$ ${\ displaystyle \ Delta F_ {D} ^ {\ pm} = F (n \ pm 1, n_ {S}, n_ {D} \ pm 1) -F (n, n_ {S}, n_ {D}) = {\ frac {e} {C_ {S} + C_ {D}}} \ left ({\ frac {e} {2}} \ pm (V_ {bias} C_ {S} + ne-q_ {0} ) \ dreapta)}$ .

Probabilitatea unui fenomen de tunelare va fi mare atunci când schimbarea energiei libere este negativă. Expresiile de mai sus au ca rezultat o valoare pozitivă a $\Delta F$ ${\ displaystyle \ Delta F}$ ${\ displaystyle \ Delta F}$ atâta timp cât tensiunea aplicată $V_{bias}$ ${\ displaystyle V_ {bias}}$ ${\ displaystyle V_ {bias}}$ nu depășește o valoare prag $V_{th}$ ${\ displaystyle V_ {th}}$ $V_ {th}$ care depinde de cea mai mică capacitate a sistemului. În general, pentru un QD neîncărcat electric ( $n=0$ ${\ displaystyle n = 0}$ ${\ displaystyle n = 0}$ Și $q_{0}=0$ ${\ displaystyle q_ {0} = 0}$ ${\ displaystyle q_ {0} = 0}$ ) pentru tranziții simetrice ( $C_{S}=C_{D}=C$ ${\ displaystyle C_ {S} = C_ {D} = C}$ ${\ displaystyle C_ {S} = C_ {D} = C}$ ), condiția este:

$V_{th}=|V_{bias}|\geq {\frac {e}{2C}}$ ${\ displaystyle V_ {th} = | V_ {bias} | \ geq {\ frac {e} {2C}}}$ ${\ displaystyle V_ {th} = | V_ {bias} | \ geq {\ frac {e} {2C}}}$ ,

(adică tensiunea de prag este redusă cu un factor de doi în raport cu o singură tranziție în tunel).

Când tensiunea aplicată este zero, nivelul Fermi la electrozii metalici va fi în interiorul decalajului de energie. Când tensiunea crește la valoarea pragului, va avea loc tunelarea de la stânga la dreapta, iar când tensiunea inversă depășește tensiunea de prag, va apărea tunelarea de la dreapta la stânga.

Existența blocării Coulomb este clar vizibilă în caracteristica tensiune-curent a unui SET (un grafic care arată cum depinde curentul de scurgere de tensiunea porții). La valori scăzute ale tensiunii porții (în modul), curentul de scurgere va fi zero. Pe măsură ce tensiunea porții crește peste tensiunea de prag, tranzițiile tunelului se comportă ca rezistențe ohmice (ambele tranziții au aceeași permeabilitate), iar curentul crește liniar. Sarcina de fundal a dielectricului nu numai că poate reduce, ci și bloca blocarea Coulomb.

În cazul în care permeabilitatea barierelor tunelului este foarte diferită ( $R_{T1}\gg R_{T2}=R_{T}$ ${\ displaystyle R_ {T1} \ gg R_ {T2} = R_ {T}}$ ${\ displaystyle R_ {T1} \ gg R_ {T2} = R_ {T}}$ ), se obține o caracteristică SET SET. Un electron tunelează către insulă prin prima tranziție și rămâne acolo, datorită rezistenței ridicate la tunelare a celei de-a doua tranziții. După o anumită perioadă de timp, tunelii de electroni prin a doua tranziție, totuși acest proces determină tunelarea unui al doilea electron pe insulă prin prima tranziție. Drept urmare, insula este încărcată electric de cele mai multe ori cu o încărcare. În cazul unei dependențe inverse a permeabilității ( $R_{T1}\ll R_{T2}=R_{T}$ ${\ displaystyle R_ {T1} \ ll R_ {T2} = R_ {T}}$ ${\ displaystyle R_ {T1} \ ll R_ {T2} = R_ {T}}$ ), insula nu va fi populată de electroni și valoarea sarcinii sale va fi redusă în trepte, într-un mod cuantificat.

Doar în acest moment putem înțelege principiul de funcționare al unui SET. Circuitul său echivalent poate fi reprezentat ca două joncțiuni de tunel conectate în serie printr-un QD, cu un electrod de comandă suplimentar (poartă) conectat perpendicular pe joncțiunile de tunel. Electrodul porții este conectat la insulă prin capacitate $C_{G}$ ${\ displaystyle C_ {G}}$ ${\ displaystyle C_ {G}}$ . Electrodul porții poate modifica sarcina de fundal a dielectricului, deoarece poarta oferă o polarizare suplimentară a insulei, astfel încât sarcina insulei să fie egală cu

$q=-ne+q_{0}+C_{G}(V_{G}-V_{2})$ ${\ displaystyle q = -ne + q_ {0} + C_ {G} (V_ {G} -V_ {2})}$ ${\ displaystyle q = -ne + q_ {0} + C_ {G} (V_ {G} -V_ {2})}$ .

Înlocuind această valoare în expresiile obținute anterior, găsim noi expresii ale valorilor la tranziții:

$V_{S}={\frac {(C_{D}+C_{G})V_{bias}-C_{G}V_{G}+ne-q_{0}}{C_{S}+C_{D}}}$ ${\ displaystyle V_ {S} = {\ frac {(C_ {D} + C_ {G}) V_ {bias} -C_ {G} V_ {G} + ne-q_ {0}} {C_ {S} + CD}}}}$ ${\ displaystyle V_ {S} = {\ frac {(C_ {D} + C_ {G}) V_ {bias} -C_ {G} V_ {G} + ne-q_ {0}} {C_ {S} + CD}}}}$ ,

$V_{D}={\frac {C_{S}V_{bias}+C_{G}V_{G}-ne+q_{0}}{C_{S}+C_{D}}}$ ${\ displaystyle V_ {D} = {\ frac {C_ {S} V_ {bias} + C_ {G} V_ {G} -ne + q_ {0}} {C_ {S} + C_ {D}}}}$ ${\ displaystyle V_ {D} = {\ frac {C_ {S} V_ {bias} + C_ {G} V_ {G} -ne + q_ {0}} {C_ {S} + C_ {D}}}}$ .

Energia electrostatică ar trebui să includă energia stocată în capacitatea porții, iar munca realizată de tensiunea porții trebuie luată în considerare la exprimarea energiei libere:

$\Delta F_{S}^{\pm }={\frac {e}{C_{S}+C_{D}}}\left({\frac {e}{2}}\pm V_{bias}(C_{D}+C_{G})-V_{G}C_{G}+ne+q_{0}\right)$ ${\ displaystyle \ Delta F_ {S} ^ {\ pm} = {\ frac {e} {C_ {S} + C_ {D}}} \ left ({\ frac {e} {2}} \ pm V_ { bias} (C_ {D} + C_ {G}) - V_ {G} C_ {G} + ne + q_ {0} \ right)}$ ${\ displaystyle \ Delta F_ {S} ^ {\ pm} = {\ frac {e} {C_ {S} + C_ {D}}} \ left ({\ frac {e} {2}} \ pm V_ { bias} (C_ {D} + C_ {G}) - V_ {G} C_ {G} + ne + q_ {0} \ right)}$ ,

$\Delta F_{D}^{\pm }={\frac {e}{C_{S}+C_{D}}}\left({\frac {e}{2}}\pm V_{bias}C_{S}-V_{G}C_{G}+ne+q_{0}\right)$ ${\ displaystyle \ Delta F_ {D} ^ {\ pm} = {\ frac {e} {C_ {S} + C_ {D}}} \ left ({\ frac {e} {2}} \ pm V_ { părtinire} C_ {S} -V_ {G} C_ {G} + ne + q_ {0} \ right)}$ ${\ displaystyle \ Delta F_ {D} ^ {\ pm} = {\ frac {e} {C_ {S} + C_ {D}}} \ left ({\ frac {e} {2}} \ pm V_ { părtinire} C_ {S} -V_ {G} C_ {G} + ne + q_ {0} \ right)}$ .

La temperatura zero, doar tranzițiile cu energie liberă negativă vor fi permise: $\Delta F_{S}<0$ ${\ displaystyle \ Delta F_ {S} <0}$ ${\ displaystyle \ Delta F_ {S} <0}$ sau $\Delta F_{D}<0$ ${\ displaystyle \ Delta F_ {D} <0}$ ${\ displaystyle \ Delta F_ {D} <0}$ . Aceste condiții pot fi utilizate pentru a găsi zonele de stabilitate în plan $V_{bias}-V_{G}$ ${\ displaystyle V_ {bias} -V_ {G}}$ ${\ displaystyle V_ {bias} -V_ {G}}$ .

Prin creșterea tensiunii la electrodul porții, atunci când tensiunea de polarizare este menținută sub tensiunea de blocare Coulomb (adică $V_{bias}<{\frac {e}{C_{S}+C_{D}}}$ ${\ displaystyle V_ {bias} <{\ frac {e} {C_ {S} + C_ {D}}}}$ ${\ displaystyle V_ {bias} <{\ frac {e} {C_ {S} + C_ {D}}}}$ ), curentul care curge din scurgere va oscila cu o perioadă ${\frac {e}{C_{S}+C_{D}}}$ ${\ displaystyle {\ frac {e} {C_ {S} + C_ {D}}}}$ ${\ displaystyle {\ frac {e} {C_ {S} + C_ {D}}}}$ . Oscilațiile din două joncțiuni conectate în serie au o periodicitate în tensiunea de control a porții. Lărgirea termică a oscilațiilor crește odată cu creșterea temperaturii.

Dependența de temperatură

Un tranzistor cu un singur electron cu contacte niobiu și o insulă din aluminiu .

Multe materiale au fost testate pentru fabricarea tranzistoarelor cu un singur electron. Cu toate acestea, temperatura este un factor foarte important care limitează implementarea acesteia în dispozitivele electronice. Majoritatea seturilor metalice funcționează numai la temperaturi extrem de scăzute.

După cum sa menționat mai sus, energia electrostatică trebuie să fie mai mare decât $k_{B}T$ ${\ displaystyle k_ {B} T}$ ${\ displaystyle k_ {B} T}$ pentru a preveni fluctuațiile termice să afecteze blocarea Coulomb . La rândul său, acest lucru implică faptul că capacitatea maximă admisă pentru insulă este invers proporțională cu temperatura și trebuie să fie mai mică de 1 aF pentru a permite funcționarea la temperatura camerei.

Valoarea capacității insulei este o funcție de dimensiunea QD, iar un QD cu un diametru mai mic de 10 nm este de preferat având în vedere construcția dispozitivelor care funcționează la temperatura camerei. Evident, acest lucru are un impact puternic asupra constrângerilor de fabricație ale circuitelor integrate din cauza problemelor de reproductibilitate.

Compatibilitate CMOS

Circuit hibrid SET-FET.

Nivelul actual al unui SET poate fi amplificat pentru a fi compatibil cu tehnologia CMOS prin generarea unui dispozitiv SET-FET hibrid. ^[12] ^[13]

Proiectul IONS4SET, finanțat în 2016 de Uniunea Europeană (# 688072), ^[14] se ocupă cu cercetarea în crearea SET-urilor care funcționează la temperatura camerei. Scopul principal al acestui proiect este proiectarea unui flux de proces pentru fabricarea SET pentru operațiuni la scară largă, încercând să extindă utilizarea arhitecturilor hibride SET-CMOS. Pentru a asigura funcționarea la temperatura camerei, trebuie realizate QD simple cu un diametru mai mic de 5 nm și plasate între sursă și drenaj cu distanțe de tunel de câteva nm. ^[15] Până în prezent, nu exista un proces fiabil pentru pregătirea circuitelor SET-FET care funcționau la temperatura camerei. În acest context, proiectul european explorează o modalitate mai fezabilă de a pregăti circuite SET-FET folosind nano-stâlpi cu un diametru de aproximativ 10 nm. ^[16]

Notă

^ S. Mahapatra, V. Vaish și C. Wasshuber, Modelarea analitică a tranzistorului cu un singur electron pentru proiectarea hibridă CMOS-SET analog IC , în IEEE Transactions on Electron Devices , vol. 51, nr. 11, 2004-11, pp. 1772-1782, DOI : 10.1109 / TED.2004.837369 . Adus la 8 aprilie 2020 .
^ (RO) Thouless DJ,Rezistență maximă în fire metalice subțiri , în Physical Review Letters, vol. 39, nr. 18, 31 octombrie 1977, pp. 1167-1169, DOI : 10.1103 / PhysRevLett . 39.1167 . Adus la 8 aprilie 2020 .
^ (EN) Boris L. Al'tshuler și Patrick A. Lee, Sisteme electronice dezordonate , în Physics Today, vol. 41, nr. 12, 8 ianuarie 2008, p. 36, DOI : 10.1063 / 1.881139 . Adus la 8 aprilie 2020 .
^ (EN) DV Averin și KK Likharev, blocada Coulomb a tunelului cu un singur electron și oscilații coerente în joncțiunile tunelului mic , în Journal of Low Temperature Physics, vol. 62, nr. 3, 1 februarie 1986, pp. 345-373, DOI : 10.1007 / BF00683469 . Adus la 8 aprilie 2020 .
^ (EN) Tranzistoare cu un singur electron , din Physics World, 1 septembrie 1998. Adus pe 8 aprilie 2020.
^ MA Kastner, Tranzistorul cu un singur electron , în Review of Modern Physics , vol. 64, n. 3, 1 iulie 1992, pp. 849-858, DOI : 10.1103 / RevModPhys.64.849 . Adus la 8 aprilie 2020 .
^ (EN) SP Gubin, Yu V Gulayev și GB Khomutov, Clustere moleculare ca elemente de bază pentru nanoelectronică: prima demonstrație a unui tranzistor de tunelare cu un singur electron la cluster la temperatura camerei , în Nanotehnologie, vol. 13, n. 2, 13 martie 2002, pp. 185-194, DOI : 10.1088 / 0957-4484 / 13/2/311 . Adus la 8 aprilie 2020 .
^ Om Kumar și Manjit Kaur, Single Electron Transistor: Applications & Problems , în International Journal of VLSI Design & Communication Systems , vol. 1, nr. 4, 28 decembrie 2010, pp. 24-29, DOI : 10.5121 / vlsic.2010.1403 . Adus la 8 aprilie 2020 .
^ (EN) Ken Uchida, Kazuya Matsuzawa și Junji Koga, Model analitic cu tranzistor cu un singur electron (SET) pentru proiectarea și analiza circuitelor realiste de septembrie , în Japanese Journal of Applied Physics, vol. 39, Partea 1, Nr. 4B, 30 aprilie 2000, pp. 2321-2324, DOI : 10.1143 / jjap.39.2321 . Adus la 8 aprilie 2020 .
^ Poole, Charles P., Introducere în nanotehnologie , J. Wiley, 2003, ISBN 0-471-07935-9 ,OCLC 50912802 . Adus la 8 aprilie 2020 .
^ Christoph Wasshuber și Hans Kosina, Un dispozitiv cu un singur electron și simulator de circuite , în Super-rețele și microstructuri , vol. 21, n. 1, 1997-01, pp. 37-42, DOI : 10.1006 / spmi . 1996.0138 . Adus la 8 aprilie 2020 .
^ AM Ionescu, S. Mahapatra și V. Pott, arhitectură hibridă SETMOS cu oscilații de blocare Coulomb și unitate de curent mare , în IEEE Electron Device Letters , vol. 25, nr. 6, 2004-06, pp. 411-413, DOI : 10.1109 / LED . 2004.828558 . Adus la 8 aprilie 2020 .
^ Esteve Amat, Joan Bausells și Francesc Perez-Murano, Explorarea influenței variabilității asupra tranzistoarelor cu un singur electron în circuite bazate pe SET , în IEEE Transactions on Electron Devices , vol. 64, n. 12, 2017-12, pp. 5172-5180, DOI : 10.1109 / TED.2017.2765003 . Adus la 8 aprilie 2020 .
^ Proiectul IONS4SET H2020 , pe www.ions4set.eu . Adus la 8 aprilie 2020 .
^ FJ Klüpfel, A. Burenkov și J. Lorenz, Simularea dispozitivelor de memorie cu un singur electron bazate pe siliciu-punct , în 2016 Conferința internațională privind simularea proceselor și dispozitivelor semiconductoare (SISPAD) , 2016-09, pp. 237-240, DOI : 10.1109 / SISPAD.2016.7605191 . Adus la 8 aprilie 2020 .
^ Xiaomo Xu, Karl-Heinz Heinig și Wolfhard Möller, Modificarea morfologică a nanopilarilor de Si sub iradiere de ioni la temperaturi ridicate: deformare plastică și subțierea controlată la 10 nm , în Semiconductor Science and Technology , vol. 35, nr. 1, 1 ianuarie 2020, p. 015021, DOI : 10.1088 / 1361-6641 / ab57ba . Adus la 8 aprilie 2020 .

Elemente conexe

linkuri externe

( EN ) Tranzistor cu un singur electron , pe Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.

Portal IT

Portal de inginerie

[1] S. Mahapatra, V. Vaish și C. Wasshuber, Modelarea analitică a tranzistorului cu un singur electron pentru proiectarea hibridă CMOS-SET analog IC , în IEEE Transactions on Electron Devices , vol. 51, nr. 11, 2004-11, pp. 1772-1782, DOI : 10.1109 / TED.2004.837369 . Adus la 8 aprilie 2020 .

[2] (RO) Thouless DJ,Rezistență maximă în fire metalice subțiri , în Physical Review Letters, vol. 39, nr. 18, 31 octombrie 1977, pp. 1167-1169, DOI : 10.1103 / PhysRevLett . 39.1167 . Adus la 8 aprilie 2020 .

[3] (EN) Boris L. Al'tshuler și Patrick A. Lee, Sisteme electronice dezordonate , în Physics Today, vol. 41, nr. 12, 8 ianuarie 2008, p. 36, DOI : 10.1063 / 1.881139 . Adus la 8 aprilie 2020 .

[4] (EN) DV Averin și KK Likharev, blocada Coulomb a tunelului cu un singur electron și oscilații coerente în joncțiunile tunelului mic , în Journal of Low Temperature Physics, vol. 62, nr. 3, 1 februarie 1986, pp. 345-373, DOI : 10.1007 / BF00683469 . Adus la 8 aprilie 2020 .

[5] (EN) Tranzistoare cu un singur electron , din Physics World, 1 septembrie 1998. Adus pe 8 aprilie 2020.

[6] MA Kastner, Tranzistorul cu un singur electron , în Review of Modern Physics , vol. 64, n. 3, 1 iulie 1992, pp. 849-858, DOI : 10.1103 / RevModPhys.64.849 . Adus la 8 aprilie 2020 .

[7] (EN) SP Gubin, Yu V Gulayev și GB Khomutov, Clustere moleculare ca elemente de bază pentru nanoelectronică: prima demonstrație a unui tranzistor de tunelare cu un singur electron la cluster la temperatura camerei , în Nanotehnologie, vol. 13, n. 2, 13 martie 2002, pp. 185-194, DOI : 10.1088 / 0957-4484 / 13/2/311 . Adus la 8 aprilie 2020 .

[8] Om Kumar și Manjit Kaur, Single Electron Transistor: Applications & Problems , în International Journal of VLSI Design & Communication Systems , vol. 1, nr. 4, 28 decembrie 2010, pp. 24-29, DOI : 10.5121 / vlsic.2010.1403 . Adus la 8 aprilie 2020 .

[9] (EN) Ken Uchida, Kazuya Matsuzawa și Junji Koga, Model analitic cu tranzistor cu un singur electron (SET) pentru proiectarea și analiza circuitelor realiste de septembrie , în Japanese Journal of Applied Physics, vol. 39, Partea 1, Nr. 4B, 30 aprilie 2000, pp. 2321-2324, DOI : 10.1143 / jjap.39.2321 . Adus la 8 aprilie 2020 .

[10] Poole, Charles P., Introducere în nanotehnologie , J. Wiley, 2003, ISBN 0-471-07935-9 ,OCLC 50912802 . Adus la 8 aprilie 2020 .

[11] Christoph Wasshuber și Hans Kosina, Un dispozitiv cu un singur electron și simulator de circuite , în Super-rețele și microstructuri , vol. 21, n. 1, 1997-01, pp. 37-42, DOI : 10.1006 / spmi . 1996.0138 . Adus la 8 aprilie 2020 .

[12] AM Ionescu, S. Mahapatra și V. Pott, arhitectură hibridă SETMOS cu oscilații de blocare Coulomb și unitate de curent mare , în IEEE Electron Device Letters , vol. 25, nr. 6, 2004-06, pp. 411-413, DOI : 10.1109 / LED . 2004.828558 . Adus la 8 aprilie 2020 .

[13] Esteve Amat, Joan Bausells și Francesc Perez-Murano, Explorarea influenței variabilității asupra tranzistoarelor cu un singur electron în circuite bazate pe SET , în IEEE Transactions on Electron Devices , vol. 64, n. 12, 2017-12, pp. 5172-5180, DOI : 10.1109 / TED.2017.2765003 . Adus la 8 aprilie 2020 .

[14] Proiectul IONS4SET H2020 , pe www.ions4set.eu . Adus la 8 aprilie 2020 .

[15] FJ Klüpfel, A. Burenkov și J. Lorenz, Simularea dispozitivelor de memorie cu un singur electron bazate pe siliciu-punct , în 2016 Conferința internațională privind simularea proceselor și dispozitivelor semiconductoare (SISPAD) , 2016-09, pp. 237-240, DOI : 10.1109 / SISPAD.2016.7605191 . Adus la 8 aprilie 2020 .

[16] Xiaomo Xu, Karl-Heinz Heinig și Wolfhard Möller, Modificarea morfologică a nanopilarilor de Si sub iradiere de ioni la temperaturi ridicate: deformare plastică și subțierea controlată la 10 nm , în Semiconductor Science and Technology , vol. 35, nr. 1, 1 ianuarie 2020, p. 015021, DOI : 10.1088 / 1361-6641 / ab57ba . Adus la 8 aprilie 2020 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]