Транзистор с един електрон: приложения и проблеми

1. Колко ефективно бариерата предава електронната вълна, което намалява експоненциално с дебелината.

2. Броят на модите на електронните вълни, които се удрят в бариерата, който се дава чрез площта на тунелния преход, разделена на квадрата на дължината на вълната.
Квантовата точка е мезоскопична система, в която добавянето или отстраняването на един електрон може да предизвика промяна в електростатичната енергия или Кулоновата енергия, която е по-голяма от топлинната енергия и може да контролира електронния транспорт към и извън квантовата точка. Чувствителността към индивидуалните електрони води до електроника, базирана на един електрон. За квантова точка нивото на дискретната енергия на електроните в нея е ясно изразено като това в атомите и молекулите, така че може да се говори за „изкуствени атоми и молекули” (Kastner, 2000). Когато вълновите функции между две квантови точки се припокриват, свързаните квантови точки демонстрират свойствата на молекула. За да се изяснят свойствата на електронния транспорт в квантова точка, нека разгледаме метална наночастица, разположена между два метални електрода, както е показано на Фиг. 1. Наночастицата е отделена от електродите чрез вакуум или изолационен слой като окис или органични молекули, така че междутях е разрешен само тунелинг (Fulton, 1987). Така можем да моделираме всеки от преходите наночастица-електрод с резистор в паралел с кондензатор. Съпротивлението се определя от тунелинга на електрони, а капацитетът (С) зависи от размера на частицата. Означаваме резисторите с R₁ и R₂, кондензаторите с C₁ и C_2, а приложеното напрежение между електродите с V. Ще разгледаме как токът I зависи от V. Когато започнем да увеличаваме V от нула, никакъв ток не може да протече между електродите, защото движението на един електрон към или от една първоначално неутрална наночастица коства енергия, дадена с уравнение (1).
E_с = e²/(2C), (1)
където „е” е зарядът на електрона.
Това потискане на електронния поток се нарича Кулонова блокада. Ток започва да протича през наночастицата, само когато приложеното напрежение V е достатъчно голямо, така че
V_th > E_с = e²/(2C) (2)

V_th се нарича прагово напрежение. Така във волт-амперната характеристика (Vax) очакваме права с нулев ток с ширина 2V_th. Когато приложеното напрежение достигне V_th, един електрон се добавя или отстранява от наночастицата. При по-нататъшно увеличаване на напрежението токът не се увеличава пропорционално, защото се изисква да добавим (или отстраним) два електрона към наночастицата, което струва повече енергия. След като приложеното напрежение стане достатъчно голямо, за да преодолее Кулоновата енергия на два електрона, токът започва да нараства отново. Това води до стъпаловидно нарастване на VAx, наречено Кулонова стълба.

А. Оразмеряването на енергията на електрона в проводниците се игнорира, т.е. спектърът на енергията на електрона се третира като непрекъснат. Това допускане е валидно, само ако Кулоновата енергия Ек<BТ. Това често дава адекватно описание на наблюденията, доколкото Ек<

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 R_Q (R>>R_Q).

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.

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.

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.

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 (Vt_h) и доближаваща линейната асимптота V=N.R.I + const при |V|>>V_th. Ако температурата се повиши над Ес/k_В, 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.

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.

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).

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.

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.

Първият най-голям проблем с всички логически елементи с един електрон е изискването Ес ~ 1000k_BT, 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.

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.

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 (R_Q/R)N-1 пъти по-малка от тази за тунелинг на един електрон.

Първият голям проблем с всички известни типове логически елементи с един електрон е изискването Ес ~ 1000 k_BT, което на практика означава размер на острова под нанометър за експлоатация при стайна температура.

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.

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.