Egyelektronos tranzisztor

Az egyelektronos tranzisztor ( eng. Single-electron tranzisztor , SET ) a tranzisztor fogalma, amely észrevehető feszültségváltozások elérését használja az egyes elektronok manipulálásakor . Ez a lehetőség különösen a Coulomb-blokád jelensége miatt fennáll .

Történelem

A Coulomb-blokádon alapuló egyelektronos tranzisztorok létrehozásának lehetőségéről először 1986-ban számoltak be K. K. Likharev és D. V. Averin szovjet tudósok [1] . 1996-ban S. P. Gubin, V. V. Kolesov, E. S. Soldatov, A. S. Trifonov, V. V. Khanin, G. B. Khomutov, S. A. Yakovenko orosz fizikusok 1996-ban hoztak létre először a világon szobahőmérsékleten működő egyelektronos molekuláris nanoklaszter tranzisztort [2] .[ a tény jelentősége? ]

Eszköz

A térhatású félvezető tranzisztorhoz hasonlóan az egyelektronos tranzisztornak három elektródája van: egy forrás, egy lefolyó és egy kapu. Az elektródák közötti területen két alagút csomópont van , amelyeket egy további, kis kapacitású fém vagy félvezető elektróda választ el, amelyet "szigetnek" neveznek . A sziget az elektródáktól dielektromos rétegekkel elválasztott nanométeres méretű nanorészecske vagy klaszter, amelyen az elektron bizonyos körülmények között át tud mozogni. A sziget elektromos potenciálja a kapufeszültség változtatásával szabályozható, amellyel a sziget kapacitívan kapcsolódik. Ha feszültséget kapcsolunk a forrás és a lefolyó közé, akkor általánosságban véve nem folyik áram, mivel az elektronok blokkolva vannak a nanorészecskén. Amikor a kapu potenciálja nagyobb egy bizonyos küszöbértéknél, a Coulomb-blokád megszakad, az elektron áthalad a gáton, és áram elkezd folyni a forrás-lefolyó áramkörben. Ebben az esetben az áramkörben lévő áram részletekben folyik, ami megfelel az egyes elektronok mozgásának. Így a kapupotenciál szabályozásával lehetséges az egyes elektronok átengedése a Coulomb-gáton. A nanorészecskékben lévő elektronok száma nem lehet több 10-nél (és lehetőleg kevesebb). Ez 10 nm -es nagyságrendű kvantumstruktúrákban érhető el .

Tekintsük egy elektron kvantumállapotait különböző kapupotenciáloknál. Blokkolt állapotban a forráselektronnak nincs elérhető energiaszintje az alagút tartományon belül (piros pont a 2. ábrán). A sziget összes kevesebb energiájú szintje foglalt.

Ha pozitív potenciált alkalmaznak a kapura, a sziget energiaszintje csökken. Egy elektron (zöld 1.) egy szigethez (zöld 2.) alagutat tud eljutni, szabad energiaszintet elfoglalva. Innen alagútba tud jutni a lefolyóba (zöld 3.), ahol rugalmatlanul eloszlik és ott éri el a Fermi szintet (zöld 4.).

A sziget energiaszintje egyenletesen oszlik el; a köztük lévő távolság ( ) egyenlő azzal az energiával , amely minden egyes következő elektronhoz szükséges ahhoz , hogy a szigetet egy kapacitással elérje . Minél alacsonyabb , annál több . A Coulomb-blokád leküzdéséhez három feltételnek kell teljesülnie: $\Delta E$ $C$ $C$ $\Delta E$

az előfeszítési feszültség nem haladhatja meg a töltési energiát;
a hőenergiának kisebbnek kell lennie a töltési energiánál , vagy az elektronnak át kell haladnia a kvantumponton a hőgerjesztés következtében; $k_{B}T$ $E_{C}={\frac {e^{2}}{C}}$
az alagút ellenállásának ( ) nagyobbnak kell lennie, mint ami a Heisenberg-féle bizonytalansági elvből következik . $R_{t}$ ${\frac {h}{e^{2))}$

Elemi munkaelmélet

Egy elektrontranzisztor két alagút-átmenetet tartalmaz. Annak a dielektrikumnak a háttértöltését, amelyben a sziget található, jelöli , és jelöli az első, illetve a második alagút csomóponton áthaladó elektronok számát. $q_{0}$ $n_{1}$ $n_{2}$

A megfelelő töltések az első és a második alagút csomópontjában és a szigeten a következőképpen írhatók fel:

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

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

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

hol és vannak az alagút csomópontjainak parazita szivárgási kapacitásai. Az összefüggést figyelembe véve a következő feszültségértékeket kaphatjuk az alagút csomópontjainál: $C_{1}$ $C_{2}$ $V_{b}=V_{1}+V_{2}$

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

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

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

Az alagút csomópontok kettős csomópontjának elektrosztatikus energiája az lesz

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 }}}

Az elektronok alagútvezetésében az első és a második átmeneten keresztül végzett munka a következő lesz:

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

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

Figyelembe véve a szabad energia szabványos meghatározását a következő formában:

F=E_{\Sigma }-W

ahol , megtaláljuk az egyelektronos tranzisztor szabad energiáját: $E_{\Sigma }=E_{C}=\Delta E_{F}+E_{N}$

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}\jobbra)

A további megfontolásokhoz ismerni kell a szabadenergia változását nulla hőmérsékleten mindkét alagút csomópontjában:

\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})\jobbra]

\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})\jobbra]

Az alagút átmenet valószínűsége nagy lesz, ha a szabadenergia-változás negatív. A fő tag a fenti kifejezésekben és pozitív értéket határoz meg mindaddig, amíg az alkalmazott feszültség meg nem haladja a küszöbértéket, amely a legkisebb kapacitástól függ. Általános esetben egy töltetlen szigetre ( , ), szimmetrikus átmenetekre ( ) a feltétel $\Delta F$ $V_{b}$ $n=0$ $q_{0}=0$ $C_{1}=C_{2}=C$

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

(azaz egy átmenethez képest felére csökken a küszöbfeszültség).

Nulla alkalmazott feszültségnél a fémelektródák Fermi-szintje az energiarésen belül lesz. Amikor a feszültség a küszöbértékre emelkedik, balról jobbra alagút történik, és amikor a fordított feszültség a küszöbérték fölé emelkedik, jobbról balra alagút történik.

A Coulomb-blokád megléte jól látható az egyelektronos tranzisztor áram-feszültség karakterisztikáján (a leeresztőáram és a kapufeszültség diagramja). Alacsony (abszolút értékű) kapufeszültségeknél a leeresztőáram nulla lesz, és amikor a feszültség a küszöb fölé emelkedik, a csomópontok ohmos ellenállásként viselkednek (a csomópontok azonos permeabilitása esetén), és az áram lineárisan növekszik. Itt meg kell jegyezni, hogy a dielektrikumban lévő háttértöltés nemcsak csökkentheti, hanem teljesen blokkolhatja is a Coulomb-blokádot . $q_{0}=\pm \;(0,5+m)e$

Abban az esetben, ha az alagútsorompók permeabilitása nagyon eltérő ( ), akkor az egyelektronos tranzisztor lépcsőzetes I-V karakterisztikája lép fel. Az elektronok az első csomóponton keresztül jutnak el a szigethez, és a második csomópont alagút-ellenállásának nagy értéke miatt megmaradnak rajta. Egy bizonyos idő elteltével az elektron áthalad a második átmeneten, de ez a folyamat arra készteti a második elektront, hogy az első átmeneten keresztül a szigetre alagútba kerüljön. Ezért a sziget legtöbbször egynél több töltéssel van feltöltve. Az inverz permeabilitás ( ) esetén a sziget néptelen lesz, és töltése fokozatosan csökken. Csak most lehet megérteni az egyelektronos tranzisztor működési elvét. Ekvivalens áramköre két alagút-csomópont soros csatlakozásaként ábrázolható, amelyek csatlakozási pontjához egy másik vezérlőelektróda (kapu) kapcsolódik, amely egy vezérlőkapacitáson keresztül kapcsolódik a szigethez . A kapuelektróda megváltoztathatja a háttértöltést a dielektrikumban, mivel a kapu emellett polarizálja a szigetet, így a sziget töltése egyenlő lesz $R_{{T1}}\gg \;R_{{T2}}=R_{T}$ $R_{{T1}}\ll \;R_{{T2}}=R_{T}$ $C_{g}$

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

Ezt az értéket behelyettesítve a fenti képletekbe, új értékeket találunk a csomóponti feszültségekhez:

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 }}}

ahol . Az elektrosztatikus energiának tartalmaznia kell a kapukondenzátoron tárolt energiát, a szabad energiában pedig a kapufeszültség által végzett munkát kell elszámolni: $C_{\Sigma }=C_{1}+C_{2}+C_{g}$

\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}\jobbra]

\Delta F_{2}^{\pm \;}={\frac {e}{C_{\Sigma }}}\left[{\frac {e}{2}}\pm \;V_{ b}C_{1}+V_{g}C_{g}-ne+q_{0}\jobbra]

Nulla hőmérsékleten csak negatív szabad energiájú átmenetek megengedettek: vagy . Ezek a feltételek felhasználhatók a sík stabilitási tartományainak megkeresésére . $\Delta F_{1}<0$ $\Delta F_{2}<0$ $V_{b}-V_{g}$

Ahogy a kapufeszültség növekszik, miközben a tápfeszültség a Coulomb blokádfeszültség (azaz ) alatt marad, a leeresztő kimeneti áram oszcillálni fog egy periódussal . Ezek a területek a stabilitás területén jelentkező zuhanásoknak felelnek meg. Itt kell megjegyezni, hogy az alagútáram oszcillációi időben lezajlanak, és két sorba kapcsolt csomópontban a rezgések a kapuvezérlő feszültséghez képest periodikusak. Az oszcillációk termikus kiszélesedése a hőmérséklet emelkedésével nagymértékben megnő. $V_{b}<e/C_{{\Sigma }}$ $e/C_{\Sigma}$

A kutatás irányai

Különféle egyelektronos eszközök nyerhetők az alagúthoz kapcsolt nanoszigetek számának növelésével. Az egyik ilyen eszköz az egyelektronos csapda. Ennek a készüléknek a fő tulajdonsága az úgynevezett bi- vagy multistabil belső töltési memória. Az egyelektronos csapdában a kapura adott feszültségtartományon belül az egyik (általában a kapuhoz legközelebb eső) nanosziget lehet egy, kettő vagy több stabil töltési állapotban, azaz tartalmazhat egyet, kettőt vagy többet. elektronok. Ennek alapján már ma is készülnek különböző logikai elemek, amelyek a közeljövőben a nanoszámítógépek elembázisává válhatnak.

2008-ban a Manchesteri Egyetem tudósainak egy csoportja ( A. K. Geim , K. S. Novoselov , L. Ponomarenko és mások) egy olyan kísérlet eredményeiről számolt be, amely bebizonyította egy körülbelül 10 nm -es egyelektronos tranzisztor létrehozásának alapvető lehetőségét. . Egy ilyen egyelektronos tranzisztor a jövőbeni grafén mikroáramkörök egyetlen eleme lehet. A grafénkutatók úgy vélik, hogy egy kvantumpont méretét 1 nm -re lehet csökkenteni , miközben a tranzisztor fizikai jellemzői nem változhatnak [3] .

Lásd még

Coulomb blokád

Jegyzetek

↑ Nanoelektronika. Egyelektronos alagútra épülő eszközök (elérhetetlen kapcsolat)
↑ Először készült? Szóval Oroszországban! . Letöltve: 2009. december 11. Az eredetiből archiválva : 2012. március 19. (határozatlan)
↑ Elkészült egy egyelektronos grafén alapú tranzisztor prototípusa. (nem elérhető link)

Linkek

Egyelektronos eszközök integrált szilícium vezetési tartományokkal. Archiválva : 2006. október 10. a Wayback Machine -nél
A grafén betemeti a tranzisztort? Archiválva : 2010. október 8. a Wayback Machine -nél

Om Kumar, Manjit Kaur, EGYELEKTRONOS TRANZISZTOR: ALKALMAZÁSOK ÉS PROBLÉMÁK / A VLSI Design & Communication Systems (VLSICS) nemzetközi folyóirata, 1. kötet, 4. szám, 2010. december