Б. Времето t на тунелинг през бариерата се приема за нищожно малко в сравнение с други времена (включително интервала между съседни събития на тунелинг). Това допускане е валидно за тунелни бариери, използвани в елементи с един електрон. На практика t ~ 10-15 s.
В. Кохерентни квантови процеси, състоящи се от няколко едновременни квантови събития (ко-тунелинг) са игнорирани. Това допускане е валидно, ако съпротивлението R на всички тунелни бариери на системата е много по-голямо отколкото квантовото съпротивление RQ (R>>RQ).
RQ = h/4e2 ~ 6,5 k , (3)
където h e константата на Планк.
Класическата теория е количествено споразумение с всички експериментални данни за системи с метални проводници (с техните малки стойности на дължината на вълната на електрона на нивото на Ферми F и дава поне качествено описание на повечето резултати за повечето полупроводникови структури, където количествените ефекти са по-забележими поради по-голяма F). Следвани са тези изисквания при изследването на системи с един електрон.
Резултати
Приложения на SET
Суперчувствителен „електромер”
Високата чувствителност на транзисторите с един електрон ги превръща в „електромери” в уникални физични експерименти. Например чрез тях са възможни ясни наблюдения на ефекти на еднаквост в суперпроводници. Демонстрирани са абсолютни измервания на екстремно ниски постоянни токове ~10-20A. Транзисторите са използвани и в първото измерване на ефекти с един електрон в кутии и филтри с един електрон. Модифицирана версия на транзистора е използвана за първо доказателство на съществуването на възбуждане на частичен заряд в квантовия ефект на Хол.
Спектроскопия на един електрон
Едно от най-важните приложения на елементите с един електрон е възможността за измерване на енергиите за събиране на електрони (и следователно разпределението на нивата на енергиите) в квантови точки и други нанообекти.
Стандарти за постоянен ток
Едно от възможните приложения на тунелинг на един електрон е фундаменталната стандартизация на постоянен ток (Knobel, 2002). За тази цел се използва заключване на фазата на SET осцилации или Блох осцилации в прост осцилатор с външен радиочестотен източник на добре дефинирана честота F. Заключването на фазата ще предостави трансфера на определен брой m eлектрони за период на външния радиочестотен сигнал и следователно ще генерира постоянен ток, който е фундаментално свързан с честотата: I = f(F). Този подход има ограничение на кохерентната осцилация, което се преодолява чрез използването на стабилен радиочестотен източник, който управлява елементи, които не демонстрират кохерентни осцилации в автономен режим.
Температурни стандарти
Може да се разработи нов подход към нов стандарт за абсолютна температура чрез използването на едноизмерни редици с един електрон (Matsumoto, 1996). При ниски температури, редици с N>>1 острови демонстрират VAx, подобни на тези на SET с ясна Кулонова блокада на тунелинга при ниски напрежения (Vth) и доближаваща линейната асимптота V=N.R.I + const при |V|>>Vth. Ако температурата се повиши над Ес/kВ, температурните флуктуации разрушават Кулоновата блокада и VAx е почти линейна при всички напрежения: G=dI/dV~Gn=1/NR. Единственият оставащ артефакт от Кулоновата блокада е малък наклон в диференциалната проводимост около V=0.
Откриване на инфрачервено излъчване
Изчисленията на фотоотговора на системи с един електрон на електромагнитно излъчване с честота Ес/h показват, че най-общо отговорът се различава от този при добре познатата теория на Тиен-Гордън за тунелинг, асистиран с фотони (Cleand, 1993). Фактически това се основава на допускането за независими събития на тунелинг, докато в системите с един електрон електронният трансфер е обикновено зависим. Този факт означава, че елементите с един електрон, по-специално едноизмерната много-преходна редица, с тяхната ниска степен на ко-тунелинг може да се използва за ултрачувствителен видео- и хетеродин детектор на високочестотно електромагнитно излъчване подобно на преходите в редиците суперпроводник-изолатор-суперпроводник (SIS). Поредицата с един електрон има предимства пред нейния аналог SIS:
- по-нисък shot шум (вид електронен шум, който произтича от дискретната природа на електричния заряд);
- удобна настройка на праговото напрежение.
Тeзи особености я правят перспективна за детекция в терахерцовия честотен диапазон, където още няма детектори, защитени от предишни излъчвания.
Логика „Състояние на напрежението”
Транзисторите с един електрон могат да се използват и в режим „състояние напрежение”. В този режим входното гейтово напрежение V контролира тока сорс-дрейн на транзистора, който се използва в цифрови логически схеми подобно на конвенционалните полеви транзистори. Това означава, че зарядните ефекти с един електрон са ограничени до вътрешността на транзистора, докато външно той изглежда като обичаен електронен елемент, превключващ мулти-електронни токове с двоично представено (1/0, високо-ниско) постоянно напрежение (Masumi, 2004). Тази концепция опростява проектирането на схеми, което може да игнорира всички подробности на „физиката с един електрон”. Един основен недостатък на схемите със състояние напрежение е, че никой от транзисторите във всяка комплементарна двойка не е затворен прекалено добре, така че статичната утечка на ток в тези схеми е напълно реална, от порядъка на 10-4 е/RC. Съответната статична консумация на мощност е нищожна за относително големи елементи, работещи при хелиеви температури. Обаче при експлоатация при стайна температура тази мощност става от порядъка на 10-7 W на транзистор. Въпреки че е очевидно ниска, тази цифра дава една неприемлива плътност на разсейване на статична мощност (>10kW/cm2) за хипотетични схеми, които могат да бъдат достатъчно плътни (>1011 транзистора на см2), за да представляват реално предизвикателство за еталонната CMOS технология (Songphol, 2002).
Логика „Състояние на заряда”
Проблемът с утечка на ток се решава с използването на друг логически елемент, наречен логика със състояние на заряда, в който отделните битове информация са представени чрез наличието/липсата на отделни електрони в определени проводящи острови през цялата схема. В тези схеми статичните токове и мощност изчезват, докато няма постоянен ток в някое статично състояние.
Програмируема логика Транзистор с един електрон
SET без функция на твърда памет е ключ към програмируема SET логика (Lingjie.1997, Ken Uchida. 2003). Промяна на фазата на полупериод прави функцията на SET допълваща към конвенционалните SET. Като резултат SET с функция на твърда памет имат функционалността на конвенционалните SET (като n-MOS) и допълващите SET (като p-MOS). Като се използва този факт, функцията на SET схема може да се програмира на базата на функция, съхранена чрез функцията на паметта. Зарядът около квантовата точка на SET, а именно един SET остров променя фазата на Кулонова осцилация, експлоатира писане/триене на паметта, което инжектира/изхвърля заряд към/от паметта близо до SET острова. Това прави възможно да се настройва фазата на Кулонова осцилация. Ако инжектираният заряд е адекватен, промяната на фазата е половин период от Кулоновата осцилация.
Проблеми в реализацията на SET
Литографски технологии
Първият най-голям проблем с всички логически елементи с един електрон е изискването Ес ~ 1000kBT, което на практика означава размер на острова под нанометър за експлоатация при стайна температура. В схеми с много голяма степен на интеграция това ниво на производствена технология е много трудно. Освен това, даже ако тези острови са произведени по някакъв начин чрез нанолитография, трудно ще бъдат абсолютно правилни. Докато в такива малки проводници квантовата кинетична енергия дава доминантен принос към енергията за добавяне на електрон (Ек>>Ec), даже малки вариации във формата на острова ще доведат до непредсказуеми и по-скоро съществени вариации в спектъра на енергийните нива и следователно в праговете на превключване на елемента.
Предишен заряд
Вторият основен проблем с логическите схеми с един електрон е лошата случайност на предишния заряд. Един зареден примес в изолиращата среда поляризира острова, създавайки на неговата повърхност заряд Qo от порядъка на е. Този заряд е ефективно извлечен от външния заряд Qe.
Ко-тунелинг
Есенцията на ефекта е, че тунелинг на няколко електрона (N>1) през различни бариери по едно и също време е възможно като отделен кохерентен квантово-механичен процес. Енергията на този процес е приблизително (RQ/R)N-1 пъти по-малка от тази за тунелинг на един електрон.
Ако уравнението, изразено с (3) е удовлетворено, тази енергия е доста малка. Въпреки това може ясно да се наблюдава ко-тунелинг в обхвата на Кулонова блокада, където класическият тунелинг е подтиснат.
Експлоатация при стайна температура
Първият голям проблем с всички известни типове логически елементи с един електрон е изискването Ес ~ 1000 kBT, което на практика означава размер на острова под нанометър за експлоатация при стайна температура.
Свързване на SET с външната среда
Индивидуалните структури определят коя функция като логическа схема трябва да бъде аранжирана в по-големи 2-измерни образци. Има две идеи. Първата е да се интегрира SET както и съответното оборудване със съществуващите MOSFET. Това е атрактивно, защото може да увеличи плътността на интеграция. Втората опция е да се преустанови свързване с проводник, а вместо него да се използва статичната електронна сила между основните клъстери за формиране на схема, свързана чрез клъстери, която се нарича квантов клетъчен автомат (QCA). Предимството на QCA е неговата висока скорост за обмен на информация между клетките (близка почти до светлинната скорост) само чрез електростатични взаимодействия, не са необходими проводници между редиците и размерът на всяка клетка може да бъде по-малък от 2,5 nm. Това ги прави много подходящи за памет с висока плътност и следваща генерация квантов компютър.
Заключение
Транзисторът с един електрон (SET) доказва своята стойност като инструмент в научните изследвания. Съпротивлението на SET се определя от тунелинг на електрон, а капацитетът зависи от размера на наночастицата. Токът започва да протича през прехода, когато приложеното напрежение е достатъчно, за да увеличи енергията на електрона над Кулоновата блокада. Това се нарича прагово напрежение Vth . Постоянен нулев ток съществува за 2 Vth . Приложенията на наноелементи в метрологията, включващи фундаменталните стандарти за ток, съпротивление и температура, изглеждат многообещаващи. Друго потенциално приложение е откриване на излъчвания в терахерцивия диапазон. Ситуацията е много по-сложна с цифровата „електроника с един електрон”. Концепцията на логика с един електрон, предложена досега, разглежда силни предизвикателства: или да се отстрани предишния заряд, или да се осигури непрекъснат трансфер на заряд в наномащаб. Основният проблем в наноерата е производството на наноелементи. SET предоставя потенциал за ниска консумация и интелигентни чипове, подходящи за всякакви приложения.
Литература
A.N.Cleand, D.Estene, C.Urbina and M.H.Devoret. 1993. An extremely Low noise Photodetector based on the single electron Transistor, Journal of Low Temperature Physics, Vol. 93, Nos.3/4, pp.767-772.
Ken Uchida, Jugli Kaga, Ryuji Ohba and Akira Toriumi. 2003. Programmable Single-Electron Transistor Logic for Future Low-Power Intelligent LSI: Proposal and Room-temperature Operation, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 50, №7.
K. Matsumoto, M. Ishii, K.Segawa, Y.Oka, B.J. Vartanian and J.S. Harris. 1996. Room temperature operation of a single electron transistor made by the scanning tunneling microscope nano oxidation process for the TiOx/Ti system, Appl. Phys. Lett. 68 (1), pp. 34-36.
Lingjie Guo, Effendi Leobandung and Stephen Y. Chou. 1997. A silicon Single-Electron transistor Memory operating at room temperature, Science Vol. 275, pp. 649-651.
M.A.Kastner. 2000. The single electron transistor and artificial atoms, Leipzig, Ann.Phy., vol.9, pp. 885-895.
Masumi Sailtoh, Hidenhiro Haratation and Toshiro Hiramoto. 2004. Room-Temperature Demonstration of Integrated Silicon Single-Electron Transistor Circuits for Current Switching and Analog Pattern Matching, San Francisco, USA, IEEE International Electron Device Meeting.
R. Knobel, C.s. Yung and A.N.Clelanda. 2002. Single-electron transistor as a radio frequency mixer, Applied Physics Letters, Vol.81, № 3, pp. 532-534.
S.Bednarek, B.Szafran and J.Adamovski. 2000. Solution of the Poisson Schrodinger problem for a single-electron transistor, Phys.Rev.B, Vol.61, pp.4461-4464.
Songphol Kanjanachuchai and Somsak Panyakeow. 2002, Beyond CMOS: Single-Electron Transistors. Bangkok, Thailand, IEEE International Conference on Industrial Technology.
T.A. Fulton and G.D.Dolan. 1987. Observation of single electron charging effect in small tunneling junction, Phys.Rev.Lett., Vol.59, pp.109-112.