Реализация одноэлектронных приборов

Кулоновская лестница.

Рассмотрим двухпереходную систему с несимметричными переходами. Выражение для темпа туннелирования через переход можно записать

Г₁ = δЕ₁/е²R₁, (11)

Где δЕ₁ = еV₁ - e²/2C₁ – изменение энергии на первом переходе при падении на нем напряжения V1> VКБ. Подставив δЕ₁ в(11), получим

Г₁ = V₁/eR₁ – 1/2R₁C₁ (12)

Аналогичное выражение можно записать для Г₂. Из (12) видно, что при различии R и С переходов будут различаться и тем­пы туннелирования. Если R и С переходов равны, то при увеличе­нии напряжения будет плавно расти ток, так как количество пришедших на кулоновский остров электронов будет равно коли­честву ушедших.

При несимметричности переходов на островке будет существовать заряд из п электронов. При увеличении напря­жения до значения, достаточного для забрасывания на островок («+1)-го электрона, вначале будет резко расти ток, что обусловлено переходом с высоким темпом туннелирования. Дальнейшее увели­чение тока, обусловленное переходом с низким темпом туннели­рования, будет медленным до тех пор, пока на островок не сможет попасть (н+2)-й электрон.

Таким образом, хотя ток протекает через систему непрерывно, в каждый момент времени на островке будет существовать опре­деленное количество электронов, зависящее от приложенного на­пряжения. В результате ВАХ двухпереходной системы имеет ступенчатый вид, называемый кулоновской лестницей. Ступеньки кулоновской лестницы будут тем ярче выражены, чем не­симметричнее переходы, а при симметрии переходов, т.е. при равенстве RC-постоянных, ступеньки исчезают.

Как уже отмечалось выше, в уравнении (1)

Q = Qo-ne (13)

(п - целое число электронов на кулоновском острове). Так как Qo имеет поляризационную природу, расположив рядом с кулоновским островом третий электрод - затворный, можно управлять этим зарядом путем приложения затворного напряжения.

Следует отметить, что этот заряд можно изменять непрерывно, пропорционально затворному напряжению. Итак, при непрерывном изменении Qo периодически будет выполняться условие кулоновской блокады, графически показанное на рис. 9.1. Следовательно, при изменении затворного напряжения периодически будет возникать кулоновская блокада и зависимость тока через точку (или напряжения на ней при посто­янном токе) будет носить осцилляционный характер. Пример та­ких осцилляций (напряжение на точке при постоянном токе через нее в зависимости от затворного напряжения) показан на рис. 9.6..

Конструкции одноэлектронных приборов весьма различны, од­нако их можно классифицировать по нескольким признакам.

По направлению протекания тока конструкции делятся на го­ризонтальные и вертикальные. В горизонтальных приборах направление протекания тока параллельно плоскости поверхности структуры, в вертикальных - перпендикулярно к плоскости поверхности.

Приборы на основе сканирующего туннельного микроско­па. Примером вертикального одноэлектронного прибора служит конструкция с использованием сканирующего туннельного микро­скопа. Идея данной реализации заключается в следующем. Между проводящей подложкой и иглой СТМ располагается некоторая малая металлическая частица (металлический кластер), изолиро­ванная туннельными переходами как от подложки, так и от иглы. Таким образом, металлическая частица играет роль кулоновского острова. По приведенной выше классификации это вертикальный нуль-мерный неуправляемый прибор на постоянной квантовой точке. Следует отметить, что только реализованный при помощи СТМ одноэлектронный прибор может работать при комнатной температуре, что резко отличает его от остальных одноэлектрон­ных приборов.

Приборы на основе сканирующего туннельного микроскопа различаются способом изоляции частицы от подложки. Частица либо высаживается на тонкий изолирующий слой, либо металлический кластер окружают изолирующие органические лиганды.

Дата добавления: 2015-05-06