Одноэлектронный транзистор

Рис.1. Схема одноэлектронного транзистора.

Рис. 2. Энергетические уровни истока, проводящего канала (острова) и стока (слева направо) в одноэлектронном транзисторе для закрытого (верхняя часть) и проводящего (нижняя часть) состояний.

Одноэлектронный транзистор с подводящими контактами из ниобия и алюминиевым островом.

Одноэлектронный транзистор (англ. Single-electron transistor (SET)) — транзистор, в основе концепции которого лежит возможность получения заметных изменений напряжения при манипуляции с отдельными электронами. Такая возможность имеется, в частности, благодаря явлению кулоновской блокады.

История

Впервые о возможности создания одноэлектронных транзисторов на основе кулоновской блокады сообщили в 1986 г. российские учёные К. К. Лихарев и Д. В. Аверин.^[1] В 1996 г. российские учёные С. П. Губин, В. В. Колесов, Е. С. Солдатов, А. С. Трифонов, В. В. Ханин, Г. Б. Хомутов, С. А. Яковенко впервые в мире создали одноэлектронный молекулярный нанокластерный транзистор, работающий при комнатной температуре.^[2]

Устройство

Аналогично полевому полупроводниковому транзистору, одноэлектронный транзистор имеет три электрода: исток, сток и затвор. В области между электродами располагаются два туннельных перехода, разделённых дополнительным металлическим или полупроводниковым электродом с малой ёмкостью, который называется «островом». Остров представляет собой наночастицу или кластер нанометровых размеров, изолированный от электродов диэлектрическими прослойками, через которые и может при определённых условиях происходить движение электрона. Электрический потенциал острова может регулироваться изменением напряжения на затворе, с которым остров связан ёмкостной связью. Если приложить напряжение между истоком и стоком, то ток, вообще говоря, протекать не будет, поскольку электроны заблокированы на наночастице. Когда потенциал на затворе станет больше некоторого порогового значения, кулоновская блокада прорвётся, электрон пройдёт через барьер, и в цепи исток-сток начнёт протекать ток. При этом ток в цепи будет протекать порциями, что соответствует движению единичных электронов. Таким образом, управляя потенциалом на затворе, можно пропускать через кулоновские барьеры одиночные электроны. Количество электронов в наночастице должно быть не более 10 (а желательно и меньше). Это может быть достигнуто в квантовых структурах с размером порядка 10 нм.

Рассмотрим квантовые состояния электрона при разных потенциалах на затворе. В блокированном состоянии у электрона на истоке нет доступных энергетических уровней в пределах диапазона туннелирования (красная точка на рис.2). Все уровни с меньшей энергией на острове заняты.

Когда к затвору прикладывается положительный потенциал, энергетические уровни на острове понижаются. Электрон (зелёный 1.) может туннелировать на остров (зелёный 2.), занимая свободный энергетический уровень. Отсюда он может туннелировать на сток (зелёный 3.), где он неупруго рассеивается и достигает на нём уровня Ферми (зелёный 4.).

Энергетические уровни на острове распределены равномерно с расстоянием между ними $\Delta E$. $\Delta E$ — это энергия, необходимая каждому последующему электрону для попадания на остров, который обладает ёмкостью $C$. Чем ниже $C$, тем больше $\Delta E$. Для преодоления кулоновской блокады необходимо выполнение трёх условий:

1. напряжение смещения не может превышать энергии зарядки;
2. тепловая энергия $k_BT$ должна быть ниже энергии зарядки $E_C = \frac{e^2}{C}$, либо электрон должен пройти квантовую точку за счёт теплового возбуждения;
3. сопротивление туннелирования ($R_t$) должно быть больше, чем $\frac{h}{e^2}$, которое вытекает из принципа неопределённости Гейзенберга.

Элементарная теория работы

Одноэлектронных транзистор содержит два туннельные переходы. Фоновый заряд диэлектрика, в котором находится островок $q_0$, $n_1$ и $n_2$- обозначают числа электронов, туннелирующие соответственно через первый и второй туннельные переходы.

Соответствующие заряды на первом и втором туннельных переходах и на островке можно записать как:

$q_1 = C_1V_1, q_2 = C_2V_2,$

$q = q_2 -q_1 + q_0 = -ne +q_0,$

где $C_1$ и $C_2$ паразитные емкости утечки туннельных переходов. Учитывая соотношение $V_b = V_1 + V_2$, можно получить такие значения напряжений на туннельных переходах:

$V_1 = \frac{C_2V_b + ne - q_0}{C_\Sigma},$ $V_2 = \frac{C_1V_b - ne + q_0}{C_\Sigma}$ де $C_\Sigma = C_1 + C_2$

Электростатическая энергия двойного соединения туннельных переходов будет:

$E_C = \frac{q_1^2}{2C_1} + \frac{q_2^2}{2C_2} = \frac{C_1C_2V_b^2 + (ne-q_0)^2}{2C\Delta}.$

Работа выполненая при туннелировании электронов через первый и второй переходы будет соответственно:

$W_1 = \frac{n_1eV_bC_2}{C_\Delta}$ та $W_2 = \frac{n_2eV_bC_1}{C_\Delta}$

Учитывая стандартное определение свободной энергии в виде:

$F = E_\Delta - W$

где $E_\Sigma = E_C = \Delta E_F + E_N,$

находим свободную энергию одноэлектронного транзистора:

$F(n,n_1,n_2) = E_C -W = \frac{1}{C_\Sigma}\big(\frac{1}{2}C_1C_2V_b^2 + (ne - q_0)^2 + eV_bC_1n_2 + C_2n_1 \big)$

Для дальнейшего рассмотрения необходимо знать изменение свободной энергии при нулевых температурах на обоих туннельных переходах:

$\Delta F_1^{\pm \;} = F(n\pm \;1,n_1\pm \;1,n_2) - F(n,n_1,n_2) = \frac{e}{C_\Sigma}\big[\frac{e}{2} \pm \; (V_bC_2 + ne - q_0) \big]$

$\Delta F_2^{\pm \;} = F(n\pm \;1,n_1,n_2\pm \;1\pm \;1) - F(n,n_1,n_2) = \frac{e}{C_\Sigma}\big[\frac{e}{2} \pm \; (V_bC_1 - ne + q_0) \big]$

Вероятность туннельного перехода тогда будет высокой, когда изменение свободной энергии будет отрицательным. Основной член в приведенных выше выражениях и обусловливает положительное значение $\Delta F$ до тех пор, пока приложенное напряжение $V_b$ не превысит пороговое значение, которое зависит от наименьшей из емкостей. В общем случае для незаряженого островка $(n = 0, q_0 = 0)$ для симметричных переходов $(C_1 = C_2 = C$ имеем условие $V_{th} = |V_b| \ge \; \frac{e}{2C}$ (т.е. пороговое напряжение уменьшается в два раза по сравнению с одним переходом).

При нулевом значении приложенного напряжения, уровень Ферми на металлических электродах будет находиться внутри энергетической щели. При повышении напряжения до порогового значения возникает туннелирование слева направо, а при повышении обратного напряжения выше пороговой возникает туннелирование справа налево.

Существование кулоновской блокады четко видно на ВАХ одноэлектронного транзистора (ток стока от напряжения на затворе). При низких (по абсолютном значении) напряжениях на затворе ток стока будет равен нулю, а при повышении напряжения выше порога переходы ведут себя подобно омическому сопротивлению (случай одинаковой проницаемости переходов) и ток линейно растет. Здесь необходимо отметить, что фоновый заряд в диэлектрике может не только уменьшить, но и полностью заблокировать кулоновскую блокаду $q_0 = \pm \;(0.5 + m)e$.

В случае, когда проницаемость туннельных барьеров сильно отличается $R_{T1} \gg \; R_{T2} = R_T$, то возникает ступенчатая ВАХ одноэлектронного транзистора. Электрон туннелирует на островок через первый переход и удерживается на нем, вследствие высокого значения туннельного сопротивления второго перехода. Через некоторый промежуток времени электрон туннелирует через второй переход, однако этот процесс вызывает туннелирование второго электрона на островок через первый переход. Поэтому на протяжении большего промежутка времени островок заряжены с превышением одного заряда. Для случая с обратной зависимостью проницаемости $R_{T1} \ll \;R_{T2} = R_T$, островок будет не заселен и его заряд будет уменьшаться ступенчато. Только теперь можно понять принцип работы одноэлектронного транзистора. Его эквивалентную схему можно представить в виде последовательного соединения двух туннельных переходов, к точке соединения которых добавлен еще один управляющий электрод (затвор), который соединен с островом через емкость управления $(C_g)$. Электрод затвора может изменять фоновый заряд в диэлектрике, поскольку затвор дополнительно поляризует островок так, что заряд островка становится равным величине:

$q = -ne + q_0 + C_g(V_g - V_2).$

Подставляя это значение в найденные выше формулы, находим новые значения для напряжений на переходах:

$V_1 = \frac{(C_2 + C_g)V_b - C_gV_g + ne - q_0}{C_\Sigma}$,

$V_2 = \frac{C_1V_b + C_gV_g - ne + q_0}{C_\Sigma}$,

где $C_\Sigma = C_1 + C_2 + C_g$. Электростатическая энергия должна включать в себя энергию, сохраненную на конденсаторе затвора, а работа выполненная напряжением на затворе, должна быть учтена в свободной энергии:

$\Delta F_1^{\pm \;} = \frac{e}{C_\Sigma}\big[\frac{e}{2} \pm \; V_b(C_2 + C_g) - V_gC_g + ne + q_0 \big]$

$\Delta F_2^{\pm \;} = \frac{e}{C_\Sigma}\big[\frac{e}{2} \pm \; V_bC_1 + V_gC_g - ne + q_0 \big]$

При нуле температур только переходы с отрицательной свободной энергией разрешены, $\Delta F_1 < 0$, или $\Delta F_2 < 0$. Эти условия могут быть использованы для нахождения областей стабильности в $V_b - V_g$ плоскости.

При увеличении напряжения на электроде затвора, когда напряжение питания поддерживается ниже напряжения кулоновской блокады $V_b < e/C_{\Sigma}$, тогда выходной ток стока будет осциллировать с периодом $e/C_\Sigma$. Эти области соответствуют провалам в области стабильности. Здесь необходимо отметить, что осцилляции туннельного тока протекают во времени, а осцилляции в двух последовательно соединенных переходах имеют периодичность по управляющему напряжению затвора. Тепловое уширение осцилляций растет с ростом температуры в значительной степени.

Направления исследований

Различные одноэлектронные приборы можно получить при увеличении количества туннельно-связанных наноостровов. Один из таких приборов — одноэлектронная ловушка. Главное свойство данного прибора — это так называемая би- или мультистабильная внутренняя зарядовая память. У одноэлектронной ловушки в пределах некоторого диапазона напряжения, прикладываемого к затвору, один из наноостровов (обычно ближайший к затвору) может быть в одном, двух или более устойчивых зарядовых состояниях, то есть содержать один, два или несколько электронов. На этой основе уже сегодня создаются различные логические элементы, которые в ближайшем будущем могут стать элементной базой нанокомпьютеров.

В 2008 г. группа учёных из университета Манчестера (А. Гейм, К. Новосёлов, Л. Пономаренко и др.) сообщила о результатах эксперимента, в котором доказана принципиальная возможность создания одноэлектронного транзистора c размерами около 10 нм. Подобный одноэлектронный транзистор может являться единичным элементом будущих графеновых микросхем. Исследователи графена считают, что можно сократить размеры квантовой точки до 1 нм, при этом физические характеристики транзистора не должны измениться.^[3]

См. также

• Кулоновская блокада

Примечания

1. ↑ Наноэлектроника. Приборы на основе одноэлектронного туннелирования
2. ↑ Сделано впервые? Значит, в России!
3. ↑ Создан прототип одноэлектронного транзистора на основе графена.

Ссылки

• Одноэлектронные устройства с интегрированными кремниевыми областями проводимости.
• Графен похоронит транзистор?