Транзисторы на основе одноэлектронного туннелирования.

Одноэлектронные устройства представляют собой перспектив­ные наноэлектронные приборы, основанные на эффекте дискрет­ного туннелирования отдельных электронов и обеспечивающие ультранизкие уровни потребляемой энергии при ультранизких ра­йонах напряжениях.

Туннельный переход формируется на основе двух проводников малого поперечного сечения, между которыми располагается тонкий слой диэлектрика. С помощью такой конструкции (туннельного пе­рехода) можно управлять движением отдельных электронов. Со­гласно основным принципам квантовой механики, микрочастицы (в частности электроны) могут переходить через изолятор (диэлект­рик) с одного проводника на другой — «туннелировать». В отличии от обычного движения электронов в проводнике, которое зависит лишь от их коллективных свойств, при туннелировании проявляют­ся индивидуальные характеристики каждой частицы. Электроны проходят через слой диэлектрика по отдельности, и это позволяет зарегистрировать перемещение с проводника на проводник даже од­ного из них. С точки зрения радиоэлектроники туннельный пере­ход - это простейший конденсатор, а процесс туннелирования электронов приводит к небольшой перезарядке такого конденсатора и, следовательно, к изменению напряжения на нем. Если площадь и емкость перехода достаточно малы, то перезарядка даже на один элементарный заряд приведет к заметному скачку напряжения.

Теория одноэлектронного туннелирования впервые была предло­жена профессором Московского государственного университета К, К. Лихаревым. Было показано, что в туннельных переходах ма­лой площади между металлами, а также вырожденными полупро­водниками, наблюдается эффект дискретного туннелирования оди­ночных носителей тока сквозь туннельные барьеры.

Эффект дискретного одноэлектронного туннелирования со­стоит в том, что в переходах с малой собственной емкостью «С» в результате туннелирования одиночного электрона «q» изменяет­ся напряжение на туннельном переходе на величину «ΔU» так, что

Следует заметить, что в соответствии с теорией информации энергия электрона должна быть больше термодинамических флуктуации

где k – постоянная Больцмана, Т – температура.

Рассмотрим туннельный переход между двумя металлическими контактами и тонким слоем диэлектрика между ними. По существу, это плоский конденсатор емкостью С, на обкладках которого находит­ся заряд Q, Запасенная энергии в таком конденсаторе определяется из соотношения

Изменение емкости такого наноконденсатора происходит диск­ретно, а минимальное значение изменения энергии определяется элементарным зарядом

в то время как начальный заряд принимает значения, кратные чис­лу электронов.

Заметим, что вследствие нанометровых размеров туннельных пе­реходов электрический заряд в емкости перехода квантуется. В этом случае при определенных условиях можно блокировать процесс тун­нелирования электронов.

Предположим, какой-то из электронов перешел сквозь изолятор незаряженного перехода. При этом на переходе сразу же появится напряжение, препятствующее движению следующих частиц (про­скочивший электрон своим зарядом отталкивает другие электроны). Этот эффект получил название кулоновской блокады (Coulomb blocade — СВ).

Кулоновская блокада представляет собой явление отсутствия тока из-за невозможности туннелирования электронов вследст­вие их кулоновского отталкивания при приложении напряжения к туннельному переходу.

Таким образом, вследствие кулоновской блокады очередной элек­трон пройдет через изолятор только тогда, когда предыдущий удалит­ся от перехода. В результате частицы станут перескакивать с провод­ника на проводник через определенные промежутки времени, а час­тота таких перескоков (одноэлектронных колебаний) будет равна величине тока - I, деленной на заряд электрона - q. Частота повторения определяется соотношением

Это так называемые одноэлектронные туннельные осцилляции (Single Electron Tunneling — SET).

Для обеспечения процесса туннелирования через переход необ­ходимо преодолеть силу кулоновского отталкивания электронов. Эффект кулоновской блокады позволяет управлять процессом туннелирования электронов. Для преодоления кулоновской блокады необходимо приложить к туннельному переходу напряжение:

Процесс протекания тока через оди­ночный туннельный переход происходит в несколько стадий.

На первой стадии граница между ме­таллом и диэлектриком является электри­чески нейтральной. Для поддержания электрического тока необходимо на одной стороне туннельного перехода накопить определенный заряд. На второй стадии процесса к метал­лическим обкладкам прикладывается электрический потенциал, и на границе раздела накапливается заряд. На третьей стадии происходит накоп­ление заряда до тех пор, пока его вели­чины не будет достаточно для преодоле­ния туннельного перехода через ди­электрик. На четвертом этапе после акта туннелирования система возвра­щается в исходное состояние. При сохранении приложенного напря­жения цикл повторяется по такому же сценарию. Заметим, что ми­нимальное изменение энергии должно быть больше кван­товых флуктуаций.

В реальных приборах не удается получить шунтирующую емкость менее 10 ^-15 Ф, что как минимум на два порядка больше требу­емой для наблюдения одноэлектронного тунне­лирования даже при температурах жидкого ге­лия. Для разрешения данной проблемы была предложена конструкция из двух туннельных переходов, включенных последовательно. Экви­валентная схема этой конструкции представлена на рис. 2.3. В этом случае емкость контактов уже не шунтирует емкость каждого перехо­да, а общую электростатическую энергию такой системы можно запи­сать в виде

Рис 3.18 Эквивалентная схема двух туннельных структур топологически совмещенных друг с другом, последовательно подключенных через квантовую точку.

Кремние­вые одноэлектронные приборы появились в результате конструктив­ного и технологического прорыва при создании МОП-транзисторных структур.

Дата добавления: 2015-10-28