Tek elektronlu transistör - Single-electron transistor

Temel bir SET ve dahili elektrik bileşenlerinin şeması.

Bir tek elektron transistörü ( SET ) göre hassas bir elektronik cihaz Coulomb blokaj etkisi. Bu cihazda elektronlar, kaynak/drenaj arasındaki bir tünel bağlantısından bir kuantum noktasına (iletken adaya) akar . Ayrıca, adanın elektrik potansiyeli, adaya kapasitif olarak bağlanan, kapı olarak bilinen üçüncü bir elektrot ile ayarlanabilmektedir. İletken ada, paralel olarak bir kapasitör ( ve ) ve bir direnç ( ve ) ile modellenen iki tünel bağlantısı arasına sıkıştırılmıştır .

Tarih

Ne zaman David Thouless bir iletkenin büyüklüğü, küçük yeterince yaptıysanız, iletkenin elektronik özelliklerini etkileyeceğini 1977 yılında dikkat çeken, yoğun madde fiziği yeni bir alt alan başlandı. 1980'lerde takip edilen araştırma, araştırılan mikron altı boyutlu sistemlere dayanan mezoskopik fizik olarak biliniyordu . Bu, tek elektronlu transistörle ilgili araştırmanın başlangıç ​​noktasıydı.

Coulomb ablukasına dayanan ilk tek elektronlu transistör, 1986'da Sovyet bilim adamları KK Likharev  [ ru ] ve DV Averin tarafından rapor edildi . Birkaç yıl sonra, ABD'deki Bell Laboratuarlarında T. Fulton ve G. Dolan, böyle bir cihazın nasıl çalıştığını üretti ve gösterdi. 1992'de Marc A. Kastner , kuantum noktasının enerji seviyelerinin önemini gösterdi . 1990'ların sonlarında ve 2000'lerin başında, Rus fizikçiler SP Gubin, VV Kolesov, ES Soldatov, AS Trifonov, VV Khanin, GB Khomutov ve SA Yakovenko, molekül tabanlı bir SET'i oda sıcaklığında çalışır hale getiren ilk kişilerdi.

alaka

Nesnelerin İnterneti ve sağlık uygulamalarının artan önemi , elektronik cihaz güç tüketimine daha uygun etki sağlar. Bu amaçla, ultra düşük güç tüketimi, mevcut elektronik dünyasının ana araştırma konularından biridir. Günlük dünyada kullanılan inanılmaz sayıda küçük bilgisayar (örneğin cep telefonları ve ev elektroniği), uygulanan cihazların önemli bir güç tüketimi seviyesini gerektirir. Bu senaryoda, SET, yüksek düzeyde cihaz entegrasyonu ile bu düşük güç aralığını elde etmek için uygun bir aday olarak ortaya çıkmıştır.

Uygulanabilir alanlar şunları içerir: süper hassas elektrometreler, tek elektronlu spektroskopi, DC akım standartları, sıcaklık standartları, kızılötesi radyasyonun tespiti, voltaj durumu mantığı, şarj durumu mantığı, programlanabilir tek elektronlu transistör mantığı.

Cihaz

Prensip

Tek elektronlu bir transistörün şematik diyagramı.
Soldan sağa: engelleme durumu (üst kısım) ve verici durum (alt kısım) için tek elektronlu bir transistörde kaynak, ada ve tahliyenin enerji seviyeleri.

SET, FET gibi üç elektrota sahiptir: kaynak, tahliye ve bir kapı. Transistör tipleri arasındaki temel teknolojik fark, kanal konseptindedir. FET'te uygulanan geçit gerilimi ile kanal yalıtımlıdan iletkene geçerken, SET her zaman yalıtılmıştır. Kaynak ve tahliye , "ada" olarak da bilinen metalik veya yarı iletken tabanlı bir kuantum nanodot (QD) ile ayrılan iki tünel bağlantısı aracılığıyla birleştirilir . QD'nin elektrik potansiyeli, direnci değiştirmek için kapasitif olarak bağlanmış kapı elektrotu ile ayarlanabilir, pozitif bir voltaj uygulayarak QD, blokajdan bloke olmayan duruma değişecek ve elektronlar QD'ye tünellemeye başlayacaktır. Bu fenomen Coulomb ablukası olarak bilinir .

Akım, kaynağından drenaja aşağıdaki Ohm kanunu ne zaman uygulanır ve bunun eşittir direnişin ana katkısı, nerede elektronlar QD kaynağından taşıdığınızda tünel etkilerinden gelir ve QD dan tahliye etmek. akımı düzenleyen QD'nin direncini düzenler. Bu, normal FET'lerdekiyle tamamen aynı davranıştır. Ancak, makroskopik ölçekten uzaklaşıldığında, kuantum etkileri akımı etkileyecektir,

Engelleme durumunda, tüm düşük enerji seviyeleri QD'de işgal edilir ve kaynaktan kaynaklanan elektronların tünelleme aralığında boş hiçbir seviye yoktur (yeşil 1). Bir elektron bloke olmayan durumda QD'ye (2.) ulaştığında, mevcut en düşük boş enerji seviyesini dolduracak ve bu da QD'nin enerji bariyerini yükselterek onu bir kez daha tünelleme mesafesinden çıkaracaktır. Elektron, ikinci tünel bağlantısından (3.) tünellemeye devam edecek, ardından esnek olmayan bir şekilde saçılacak ve boşaltma elektrodu Fermi seviyesine (4.) ulaşacaktır.

QD'nin enerji seviyeleri , adanın şu şekilde tanımlanan bir öz-kapasitesine yol açar : Coulomb ablukasını başarmak için, üç kriterin karşılanması gerekir:

  1. Öngerilim voltajı , adanın öz kapasitansına bölünen temel yükün değerinden daha düşük olmalıdır :
  2. Kaynak kontağındaki termal enerji artı adadaki termal enerji, yani şarj enerjisinin altında olmalıdır: aksi takdirde elektron, termal uyarma yoluyla QD'yi geçebilecektir.
  3. Tünel açma direnci, Heisenberg'in belirsizlik ilkesinden türetilenden daha büyük olmalıdır . burada tünel zamana karşılık gelir ve olarak gösterilir ve SET iç elektrik bileşenlerinin şematik bir şekilde. Bariyerden elektron tünelleme süresinin ( ), diğer zaman ölçekleriyle karşılaştırıldığında ihmal edilebilecek kadar küçük olduğu varsayılır. Bu varsayım, pratik ilgiye sahip tek elektronlu cihazlarda kullanılan tünel bariyerleri için geçerlidir.

Sistemin tüm tünel bariyerlerinin direnci kuantum direncinden çok daha yüksekse , elektronları adaya hapsetmek yeterlidir ve birkaç eşzamanlı tünelleme olayından oluşan tutarlı kuantum süreçlerini, yani ortak tünellemeyi göz ardı etmek güvenlidir.

teori

QD'yi çevreleyen dielektrikin arka plan yükü ile gösterilir . ve iki tünel bağlantısı boyunca tünellenen elektronların sayısını ve toplam elektron sayısını ifade eder . Tünel kavşaklarında karşılık gelen yükler şu şekilde yazılabilir:

tünel bağlantılarının parazit sızıntı kapasiteleri nerede ve nelerdir. Önyargı voltajı göz önüne alındığında, tünel bağlantılarındaki voltajları çözebilirsiniz:

Çift bağlantılı bir tünel bağlantısının elektrostatik enerjisi (şematik resimdeki gibi) olacaktır.

Birinci ve ikinci geçişler boyunca elektron tünelleme sırasında gerçekleştirilen iş:

Serbest enerjinin standart tanımı şu şekilde verilir:

Nerede bir SET olarak serbest enerjisi bulduk:

Daha fazla değerlendirme için, her iki tünel kavşağında sıfır sıcaklıkta serbest enerjideki değişimi bilmek gerekir:

Serbest enerjideki değişim negatif olduğunda tünel geçişi olasılığı yüksek olacaktır. Yukarıdaki ifadelerdeki ana terim , sistemdeki en küçük kapasiteye bağlı olarak uygulanan gerilim eşik değerini geçmediği sürece pozitif bir değer belirler . Genel olarak, simetrik geçişler ( ) için yüksüz bir QD ( ve ) için şu koşula sahibiz:

(yani, eşik voltajı, tek bir geçişe kıyasla yarı yarıya azalır).

Uygulanan voltaj sıfır olduğunda metal elektrotlardaki Fermi seviyesi enerji aralığının içinde olacaktır. Voltaj eşik değerine yükseldiğinde soldan sağa tünelleme, ters voltaj eşik seviyesinin üzerine çıktığında ise sağdan sola tünelleme meydana gelir.

Coulomb blokajının varlığı, bir SET'in akım-voltaj özelliğinde açıkça görülebilir (drenaj akımının kapı voltajına nasıl bağlı olduğunu gösteren bir grafik). Düşük geçit voltajlarında (mutlak değerde) drenaj akımı sıfır olacaktır ve voltaj eşiğin üzerine çıktığında geçişler omik direnç gibi davranır (her iki geçiş de aynı geçirgenliğe sahiptir) ve akım doğrusal olarak artar. Bir dielektrikteki arka plan yükü sadece azaltmakla kalmaz, aynı zamanda Coulomb ablukasını tamamen bloke eder.

Tünel bariyerlerinin geçirgenliğinin çok farklı olduğu durumda SET'in kademeli IV özelliği ortaya çıkar. Bir elektron ilk geçişte adaya tünel açar ve ikinci geçişin yüksek tünel direnci nedeniyle adayda kalır. Belli bir süre sonra elektron ikinci geçişi tüneller, ancak bu süreç ikinci bir elektronun ilk geçişten adaya tünel açmasına neden olur. Bu nedenle, ada çoğu zaman bir ücretin üzerinde ücretlendirilir. Geçirgenliğin ters bağımlılığı durumunda ada nüfussuz olacak ve yükü kademeli olarak azalacaktır. Bir SET'in çalışma prensibini ancak şimdi anlayabiliriz. Eşdeğer devresi, QD aracılığıyla seri olarak bağlanan iki tünel bağlantısı olarak temsil edilebilir, tünel bağlantılarına dik olarak bağlanan başka bir kontrol elektrotu (kapı). Kapı elektrotu adaya bir kontrol tankı aracılığıyla bağlanır Kapı elektrotu, dielektrikteki arka plan yükünü değiştirebilir, çünkü kapı ayrıca adayı polarize eder, böylece ada yükü eşit olur.

Bu değeri yukarıda bulunan formüllerde yerine koyarak, geçişlerdeki gerilimler için yeni değerler buluyoruz:

Elektrostatik enerji, kapı kapasitöründe depolanan enerjiyi içermeli ve serbest enerjide kapıdaki voltajın yaptığı iş dikkate alınmalıdır:

Sıfır sıcaklıklarda, yalnızca negatif serbest enerjili geçişlere izin verilir: veya . Bu koşullar, düzlemde stabilite alanlarını bulmak için kullanılabilir.

Geçit elektrotunda artan voltajla, besleme voltajı Coulomb blokajının voltajının altında tutulduğunda (yani ), drenaj çıkış akımı bir periyotla salınır Bu alanlar stabilite alanındaki arızalara karşılık gelir. Tünelleme akımının salınımları zamanla meydana gelir ve iki seri bağlı bağlantıdaki salınımlar kapı kontrol geriliminde bir periyodikliğe sahiptir. Salınımların termal genişlemesi, artan sıcaklıkla büyük ölçüde artar.

Sıcaklık bağımlılığı

Tek elektronlu transistörler oluşturulurken çeşitli malzemeler başarıyla test edilmiştir. Ancak sıcaklık, mevcut elektronik cihazlarda uygulamayı sınırlayan büyük bir faktördür. Metalik bazlı SET'lerin çoğu yalnızca aşırı düşük sıcaklıklarda çalışır.

Niyobyum uçlu ve alüminyum adalı tek elektronlu transistör .

Yukarıdaki listede madde 2'de belirtildiği gibi: Coulomb blokajını etkileyen termal dalgalanmaları önlemek için elektrostatik şarj enerjisi daha büyük olmalıdır . Bu da, izin verilen maksimum ada kapasitansının sıcaklıkla ters orantılı olduğu ve cihazı oda sıcaklığında çalıştırabilmesi için 1 afF'nin altında olması gerektiği anlamına gelir.

Ada kapasitansı, QD boyutunun bir fonksiyonudur ve oda sıcaklığında çalışmayı hedeflerken 10 nm'den küçük bir QD çapı tercih edilir. Bu da, tekrarlanabilirlik sorunları nedeniyle entegre devrelerin üretilebilirliği üzerinde büyük kısıtlamalar getirir.

CMOS uyumluluğu

Hibrit SET-FET devresi.

SET'in elektrik akımı seviyesi, hibrit bir SET- FET cihazı üretilerek mevcut CMOS teknolojisi ile çalışacak kadar yükseltilebilir .

2016 yılında AB tarafından finanse edilen IONS4SET (#688072) projesi, oda sıcaklığında çalışan SET-FET devrelerinin üretilebilirliğini araştırıyor. Bu projenin ana amacı, hibrit Set-CMOS mimarilerinin kullanımını genişletmek isteyen büyük ölçekli operasyonlar için bir SET üretilebilirlik süreç akışı tasarlamaktır. Oda sıcaklığında çalışmasını sağlamak için, 5 nm'nin altındaki çaplarda tek noktalar üretilmeli ve kaynak ile drenaj arasında tünel mesafeleri birkaç nanometre olacak şekilde yerleştirilmelidir. Şimdiye kadar, oda sıcaklığında çalışan bir hibrit SET-FET devresi üretmek için güvenilir bir süreç akışı yoktur. Bu bağlamda, bu AB projesi, yaklaşık 10 nm'lik sütun boyutlarını kullanarak SET-FET devresini üretmenin daha uygun bir yolunu araştırıyor.

Ayrıca bakınız

Referanslar