单电子晶体管

1、单电子晶体管，李广立13091055 20131003，目录、一、单电子晶体管的定义和结构、二、单电子晶体管的工作原理、三、单电子晶体管的特征、四、单电子晶体管的发展概况、五、单电子晶体管的应用和展望、一、定义和结构、定义：单电子晶体管结构：一般由以下五部分组成。 (1)库仑岛或量子点(2)隧道势垒(3)势垒区(4)栅极氧化层(5)源极、漏极、极。 如图1所示。 图1 SET的基本结构形式、二、工作原理、图2的窄沟道结构的电势图、单电子晶体管的工作原理基于库仑块和隧道效应。 现在从半古典理论分析双势垒的单电子器件。 中心粒子(也称为岛和点)和两电极之间分别有绝缘屏障。 点约有n个电子，两端不施

2、加电压时的平衡电势图如图2(a )所示。定义电化学势d(N )是向点施加第n个电子所需的能量。 如果施加偏压，点的电位有两种情况。 在情况为图2(b )的情况下，是d(N) d(N 1)2。 此时，电子可以从左存储体进入点，输出到右存储体。 另外，图2的窄沟道结构的电位图、图2的窄沟道结构的电位图，如图中箭头所示形成电流，将其称为单电荷隧道。 如果持续增加栅极电压Vg，单电荷隧道状态和库仑阻塞状态交替出现，被称为库仑振动(Coulomb oscillat ion )。 改变两极电压不改变栅极电压时，随着v的增加，I以阶梯状增加，每一个台阶电子输送增加，台阶间的间隔为V=e/C，称为库仑台阶(C

3、oulombstaircase )。 在上述讨论中，电荷通过比自己高的能量势垒的隧道由粒子的波粒二象性决定，通过解雪定中伤方程式，能够得到隧道概率随势垒的高度变化的定量式。 因此，通过人为地调节栅极电压和两极的电压，能够控制电荷的通过或切断，并且能够控制一次流过的电荷的个数。 这就是单电子器件的工作原理。三、单电子晶体管的特征是，通常的晶体管在工作时每隔电子数达到106个以上，就工作，而单电子晶体管在工作时一次只需要一个电子，其源极和漏极之间的电子各通过一个，各电子的传输可通过施加栅极电压来控制。 生动的比喻说，单电子晶体管和传统晶体管的差异可以说是微注射器和流量大的水龙头的差异。 注射器的水

4、流量可以一滴一滴准确控制，但是水龙头很难控制。 与传统晶体管相比，单电子晶体管可以更大规模地集成，其体积可以缩小到1%，所需功率也可以减少到10万分之一以上，图3单电子晶体管与通常晶体管的对比图显示，1968年，Zeller和Giaever为al-al2o 3 结果，电压低时电流小，电压超过某临界电压Vs时，电感有饱和的倾向。 Vs强烈依赖于Sn粒子的大小。 据此，指出低温时，对于单隧道结，只在Ve/2C时有电流，该电压值称为库仑抑制电势。 1969年，在Lambe和Jaklevic的实验中，金属粒子中的平均电荷数随着施加电压的增加而增加。 Shekhter预言在这种结构中，I -V曲线随着电

5、压的变化而周期性地振动。 这个预言后来被实验证实了。 这个结论激发了人们的灵感，开始认为通过周期性地改变中间金属粒子的电压，可以控制各个电子的通过和阻断。 就这样产生了单电子晶体管的概念。 四、单电子晶体管的发展概况是在1988年MIT Scott thoms测定0.2K温度下极窄的n沟道硅MOS晶体管的沟道电导时偶然发现的。1989年IBM的Meirav等人基于SET原理，采用分子束外延工艺，利用GaAs/AIGaAs异质结开发了SET，并在4K温度下观察了SET特性。 2001年日本科学家开发了SET，SET中使用的硅和氧化铁材料的结构尺寸达到了10nm左右的尺度。 近年来，SET成为纳米

6、电子器件的研究热点。 中国科学院物理所教授王太宏指导的凝聚态物理中心是1996年成功的波导型单电子晶体管，它是一维波导和线路网格等组成的SET，其工作温度高、性能稳定、适用的集成。 1999年开发出能在90K以上高温点工作的平面栅极型单电子晶体管，并在2001年9月在美国召开的国际纳米器件研讨会上发表，获得了海外同行专家的好评。 有、问题，单电子设备有很多优点，但有很多问题。 主要表现在以下两个方面。 1 )理论上，不能充分正确地理解单电子器件中的载流子的行为。 由于单电子器件是人工量化系统，因此需要研究自协商和非自协商的人工量化系统。 代数动力学是一个很好的工具，但是具有动力学代数结构的部分

7、只能解少数。 另外，单电子器件中的粒子无论是宏观的无限多粒子系，还是单分子、原子系都不同。 这是一种介观体系，研究纯宏观和纯微观的理论和方法需要修正。 为了制造ULSI，需要研究载波变动的相互干扰导致计算机运行稳定性的问题。 (2)在实际制造和操作中，首先，从双结晶体管的分析可知，岛的库仑电势为e2/2C，设备需要e2/2kt才能抵抗热干扰。 因此，为了在室温下工作，c需要较小，这是加工要求高的。 其次，为了提高加工精度，从光学光刻发展为x射线、电子束、离子束蚀刻等方法。 为了实现e2/2CkT，这些方法是困难的。 另外，不仅能制作单个器件，还能在短时间内制作大量的器件，这是制作超大规模集成电

8、路所必要的。 此外，单电子器件对介质中的电荷敏感，如何去除介质中的电荷以及减少该装置对电荷敏感，对该过程提出了更高的要求。 最后，如何将加工单电子元件与现有工艺设备结合起来。五、单电子晶体管的应用与展望，SET具有高频、高速、功耗小、集成度高、多值逻辑等特性，因此SET具有高速高密度IC、超高灵敏度静电计、单光子器件、高灵敏度红外线检测器、超高速微功耗特大规模量子功能器件、电路例如，日本电信电话公司1999年12月开发了采用多个单电子晶体管的电子计算机逻辑电路时，第一个电路是加法器。 2001年4月基于硅衬底开发出了能高密度集成化的单电子晶体管和单电子元件。 各种技术的组合，可以期待近期实现高密度集成的单电子逻辑电路。 但是，现在很多单电子晶体管和IC的工作温度很低，处于液氮温度(77K )。 现在正在探索在室温下工作的SET及其IC。传统的集成电路已经达到物理极限，如果想进一步发展集成电路，必须寻求新的方法和设备。 单电子装置可为从传统装