Одноэлектронный транзистор

На основе явления кулоновской блокады, возможно создание целого класса новых приборов — одноэлектронных транзисторов и устройств на их основе. На Рис. 5.4,а представлен один из вариантов одноэлектронного транзистора в структуре с двумерным электронным газом.

Рис. 5.4. Одноэлектронный транзистор в структуре с двумерным электронным газом (а) и его схематическое изображение (б).

При отрицательном напряжении на затворах G₁,G₂ и G₄ вблизи них образуется область, обедненная носителями заряда, в результате в центре структуры создается проводящий островок очень малых размеров (квантовая точка), с помощью туннельного эффекта связанный с резервуарами истока и стока. Связь квантовой точки с основным затвором транзисторной структуры G₃ является чисто емкостной — расстояние между ними достаточно велико, чтобы исключить вероятность туннельных переходов. На рис. 5.4, б схематически изображена структура одноэлектронного транзистора. Затвор используют для изменения электрохимического потенциала электронов в центральном электроде с помощью наведенного квазизаряда .В отличие от заряда, связанного с туннелированием электронов от истока к стоку через квантовую точку, этот заряд может изменяться непрерывно, так как это поляризационный заряд.

С помощью концепции квазизаряда мы можем определить условия переключения одноэлектронного транзистора. Энергия центрального электрода по-прежнему определяется выражением , где q — его полный заряд, а С — электрическая

емкость островка: С=С_Л+C_П+C_З. Если на центральном электроде находится N дополнительных электронов, то его заряд равен q = Ce + ΔQ = -Ne + C₃V₃, так

что полная энергия задается выражением:

Если между истоком и стоком приложено небольшое напряжение смещения, так что будет иметь место режим кулоновской блокады, то ток через структуру течь не может, так как энергия центрального электрода увеличивается с каждым дополнительным электроном: E(N+1)>E(N). Однако, подстраивая напряжение на затворе, мы можем добиться выполнения условия) E(N+1, V₃+ΔV₃)>E(N, V₃). В этом случае электрон может туннелировать через структуру, и ток через транзистор будет течь. Другими словами, из этого условия видно, что электроны могут туннелировать в центральный электрод всякий раз, когда напряжение на затворе изменяется на величину, т. е. проводимость одноэлектронного транзистора будет осциллировать с увеличением напряжения на затворе с периодом ∆V₃ (рис. 5.5).

Рис. 5.5. Проводимость одноэлектронного транзистора, представленного на рис. 1.4, а. Каждый пик проводимости соответствует удалению (с ростом отрицательного смещения) очередного электрона из квантовой точки, причем при смещении -0.4 В число электронов в точке порядка 100

В одноэлектронном транзисторе с одним центральным электродом может оказаться существенным явление, которое способно нарушить нормальную работу транзистора. Это явление называют сотуннелированием (co-tunneling) или макроскопическим квантовым туннелированием. Дело в том, что помимо последовательного туннелирования электрона сначала из истока в квантовую точку, а затем из нее в сток существует малая, но конечная вероятность непосредственного переноса заряда из истока в сток. Этот перенос может осуществляться двумя механизмами. В первом из них электрон может пересечь область центрального электрода с помощью туннельного эффекта через виртуальное состояние или посредством резонансного туннелирования. При втором механизме один электрон туннелирует в центральный электрод из истока, а второй тут же покидает эту область, переходя на сток. При этом в центральном электроде образуется электронно-дырочная пара. Сотуннелирование, хотя и является эффектом следующего порядка малости в сравнении с единичным актом туннелирования, приводит к конечной проводимости транзистора даже в условиях кулоновской блокады. Для подавления сотуннелирования используют структуры с двумя и более центральными электродами, отделенными друг от друга туннельно-прозрачными барьерами (MTJ — Multi-Tunnel Junctions). В таких MTJ-транзисторах вероятность мгновенного переноса заряда из истока в сток практически равна нулю.

В настоящее время одноэлектронные транзисторы работают только при низких температурах, хотя в ряде структур одноэлектронные эффекты наблюдались и при комнатной температуре. Для создания приборов, надежно работающих при комнатной температуре, необходимо решать проблемы, связанные с уменьшением размеров квантовых точек и уменьшением емкости затвора. Работы, направленные на оптимизацию структуры одноэлектронных транзисторов, интенсивно проводятся во многих лабораториях мира. Такие транзисторы открывают широкие перспективы одноэлектронной цифровой логике, в которой бит информации может быть представлен только лишь одним электроном. Кроме того, одноэлектронные транзисторы имеют очень высокое быстродействие — по оценкам, до нескольких сотен терагерц при чрезвычайно малой потребляемой мощности. Одноэлектроника является одной из самых перспективных и быстро развивающихся областей нано-электроники.

Дата добавления: 2014-01-11