Одноэлектронный транзистор

История открытия одноэлектронного транзистора, его конструкция, принцип работы, вольт-амперные характеристики. Явление кулоновской блокады. Наноэлектромеханический одноэлектронный транзистор с "механической рукой". Прототип транзистора на основе графена.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Содержание

Введение

История открытия одноэлектронного транзистора

Кулоновская блокада

Конструкция и принцип работы одноэлектронного транзистора

Вольт-амперные характеристики одноэлектронных транзисторов

Наноэлектромеханический одноэлектронный транзистор с «механической рукой»

Прототип одноэлектронного транзистора на основе графена

Заключение

Литература

Введение

На современном этапе развития технологических методов электроники явилась возможность создавать структуры с наноразмерными областями. На электронный транспорт в таких структурах существенное влияние может оказать эффект одноэлектронного туннелирования. В настоящее время интенсивно проводятся экспериментальные исследования одноэлектронных структур и одним из наиболее перспективных является одноэлектронный транзистор. Наряду с экспериментальными исследованиями эффекта одноэлектронного туннелирования возникает необходимость в моделях, которые позволили бы адекватно описать физические процессы, протекающие в структурах, а также в анализе характеристик приборов в зависимости от конструктивно-технологических и электрофизических параметров. Такое исследование позволяет определить необходимые размеры, подобрать подходящие материалы на этапе разработки одноэлектронных приборов, спрогнозировать их выходные характеристики.

История открытия одноэлектронного транзистора

Одноэлектронный транзистор (англ. single electron transistor сокр., SET) -- трехэлектродный туннельный прибор, на эффекте кулоновской блокады, состоящий из проводящего островка с малой собственной емкостью, соединенного с истоковым и стоковым электродами туннельными переходами с малой емкостью и проводимостью, и имеющего емкостную связь с электродом затвора.

В России проблема построения одноэлектронного туннельного транзистора исследовалась с 1985 г. на физическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова К.К. Лихаревым, который теоретически рассчитал, а потом экспериментально обнаружил эффект одноэлектронного туннелирования. Вместе с Л.С. Кузьминым они построили туннельный одноэлектронный транзистор, работающий при сверхнизких температурах (одновременно это же сделали американцы). Сверхнизкими называют температуры вблизи нуля по шкале Кельвина (--273°С), они неприемлемы при массовом производстве каких бы то ни было устройств. Гораздо больший интерес представляли бы транзисторы, функционирующие при комнатной температуре (около 20°С). Для этого требуется уменьшить размеры их функциональных элементов до нескольких нанометров.

Еще в 1987 г. Лихарев предложил использовать отдельные молекулы в качестве активных элементов в одноэлектронных системах (их размер как раз составляет около 1 нм), но тогда эта идея казалась утопической. Уверенности, что это возможно, ученым придавал тот факт, что молекулярные одноэлектронные туннельные системы, функционирующие при комнатной температуре, давно существуют в природе и используются живыми организмами в процессе получения энергии.

С 1990 г. коллектив Е.С. Солдатова (МГУ) обратил внимание на возможность применения искусственных кластеров (синтезированных молекул с заранее заданными характеристиками) в качестве функциональных элементов транзистора. Однако препятствием стала необходимость создания стабильных упорядоченных структур и сложность манипулирования такими малыми объектами, как молекулярные кластеры. Параллельно ученые Англии, Японии и США искали решение этой проблемы альтернативными путями. Но именно в группе Г.Б. Хомутова впервые были созданы упорядоченные стабильные планарные ансамбли нанокластеров, внедренных в мономолекулярные пленки. В 1996 г. российские ученые из МГУ и РАН 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 (см. рис. 1.).

Рис. 1. Одноэлектронный молекулярный нанокластерный транзистор

Применение СТМ позволяло определять положение нанокластеров в мономолекулярной пленке с точностью до 1 нм, а затем измерить их рабочие характеристики. Пленка создает высокоупорядоченную планарную наноструктуру для механической стабилизации кластеров в фиксированной пространственной конфигурации. При этом ее толщина не превышает диаметра кластера, что обеспечивает компактность всего ансамбля.

Кулоновская блокада

Кулоновская блокада - блокирование прохождения электронов через квантовую точку, включённую между двумя туннельными контактами, обусловленное отталкиванием электронов в контактах от электрона на точке, а также дополнительным кулоновским потенциальным барьером, который создаёт электрон, усевшийся на точке. Аналогично тому, как поле ядерных сил при альфа распаде препятствует вылету альфа-частицы, кулоновский барьер препятствует вылету электрона из точки, а также попаданию новых электронов на неё. Экспериментально кулоновская блокада проявляется как пикообразная зависимость проводимости точки от потенциала точки, то есть от напряжения на дополнительном электроде (затворе). Это явление наблюдается тогда, когда кулоновская энергия eІ/2C (обусловленная даже одним электроном с зарядом e; C-ёмкость точки) квантовой точки заметно больше, чем температура и расстояние между уровнями квантовой точки.

Понять это явление можно следующим образом. Пусть с помощью дополнительного электрода потенциал точки установлен в V и на точке находятся N дополнительных электронов. Пусть C -- ёмкость точки. Тогда, чтобы посадить на точку дополнительный электрон нужно совершить работу

Где - дополнительная энергия, обусловленная разностью уровня Ферми электронов на точке и в контактах. При определённом подборе напряжения на затворе и относительных положений уровней Ферми контактов и точки выполняют соотношение, то есть потенциальный барьер для перехода электрона из контакта в точку исчезает. Это и наблюдается как пик в проводимости точки. Из-за конечной температуры точки уровень Ферми в контактах слегка размыт, это делает ширину пиков кулоновской блокады конечной. То есть обычно ширина пика в единицах eV порядка температуры точки в единицах .

Конструкция и принцип работы одноэлектронного транзистора

Рис. 2. Одноэлектронный транзистор

Рассмотрим более подробно конструкцию и принцип работы одноэлектронного транзистора. Также как и полевой полупроводниковый транзистор, он имеет три электрода, называемые истоком, стоком и затвором. В области между электродами (рис. 2.) располагается дополнительный металлический или полупроводниковый «наноостровок» - наночастиица или кластер нанометровых размеров, изолированный от электродов диэлектрическими прослойками, через которые и может при определенных условиях происходить движение электрона. Если приложить напряжение между истоком и стоком транзистора, то ток протекать не будет, поскольку электроны в данный момент заблокированы на наночастице. Для появления тока необходимо увеличить потенциал на управляющем электроде - затворе. Только когда потенциал на затворе станет больше некоторого порогового значения, блокада прорывается, электрон получает способность пройти через барьер, и в цепи исток-сток начинает протекать ток. При этом электрический ток в цепи протекает порциями, что соответствует движениям единичных электронов. Таким образом, управляя потенциалом на затворе, можно пропускать через 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.

Преимуществами одноэлектронных транзисторов являются малые размеры (вплоть до размеров нескольких атомов) и связанная с ними возможность высокой степени интеграции, а также чрезвычайно низкая потребляемая мощность. Разработано два метода реализации логических операций в схемах на одноэлектронных транзисторах. В одном из них один бит информации представляется одним электроном. Также одноэлектронные приборы используются как устройства, позволяющие осуществлять перенос электронов один за другим, то есть контролировать каждый бит информации, представленной таким образом. В другом методе один бит информации представлен, как и в классической микроэлектронике, двумя состояниями одноэлектронного транзистора - включен (ток течет через прибор) и выключен (ток через прибор не течет). С точки зрения потребляемой мощности первый метод является более предпочтительным. Однако в этом случае даже один ложный электрон, обусловленный шумами или тепловым возбуждением, полностью видоизменяет результаты работы. Поэтому с точки зрения рабочей стабильности второй метод предпочтительнее.

Вольт-амперные характеристики одноэлектронных транзисторов

Было установлено, что одноэлектронные транзисторы с плоской конфигурацией на основе туннельных переходов Nb/NbOx/Nb и Ti/TiOx/Ti имеют приемлемые значения предельных параметров (рабочей температуры и граничной частоты) по сравнению с рядом структур на других соединениях металлов с такой же конфигурацией. Расчеты выполнялись по предложенной двумерной численной модели. В результате проведенного исследования было установлено следующее. Различие в величине тока для приборов одинаковых размер...