1.6 Приборы на одноэлектронном туннелировании
Электронные приборы, использующие одноэлектронное туннелирование, состоят из одной или нескольких квантовых точек, соединенных туннельными переходами – как между собой, так и с подводящими электродами. Простейший одноэлектронный прибор – одноэлектронная ячейка, каковой является двухбарьерная структура. На ее основе строятся более сложные одноэлектронные приборы.
Одноэлектронный транзистор В 1986 году советскими учеными К.К. Лихаревым и Д.В. Авериным был предложен одноэлектронный транзистор на эффекте кулоновской блокады. Данный эффект заключается в блокировании прохождения электронов через квантовую точку (включенную между двумя туннельными контактами), обусловленном отталкиванием электронов в контактах от электрона на квантовой точке, а также дополнительным кулоновским потенциальным барьером, который создает электрон, закрепившийся на точке. Кулоновская блокада препятствует вылету электрона из точки, а также попаданию новых электронов на нее. Для преодоления кулоновской блокады необходимо понизить высоту потенциального барьера и повысить энергию электронов. Рассмотрим более подробно конструкцию и принцип работы одноэлектронного транзистора. Также как и полевой полупроводниковый транзистор, он имеет три электрода, называемые истоком, стоком и затвором. В области между электродами (рис. 1.3.) располагается дополнительный металлический или полупроводниковый «наноостровок» – наночастиица или кластер нанометровых размеров, изолированный от электродов диэлектрическими прослойками, через которые и может при определенных условиях происходить движение электрона. Если приложить напряжение между истоком и стоком транзистора, то ток протекать не будет, поскольку электроны в данный момент заблокированы на наночастице. Для появления тока необходимо увеличить потенциал на управляющем электроде – затворе. Только когда потенциал на затворе станет больше некоторого порогового значения, блокада прорывается, электрон получает способность пройти через барьер, и в цепи исток-сток начинает протекать ток. При этом электрический ток в цепи протекает порциями, что соответствует движениям единичных электронов. Таким образом, управляя потенциалом на затворе, можно пропускать через барьеры одиночные электроны. Количество электронов в наночастице должно быть не более 10 (а желательно и меньше). Это может быть достигнуто в квантовых структурах с размером порядка 10 нм.
Преимуществами одноэлектронных транзисторов являются малые размеры (вплоть до размеров нескольких атомов) и связанная с ними возможность высокой степени интеграции, а также чрезвычайно низкая потребляемая мощность. Разработано два метода реализации логических операций в схемах на одноэлектронных транзисторах. В одном из них один бит информации представляется одним электроном. Также
Рисунок 1.3- Одноэлектронный транзистор
одноэлектронные приборы используются как устройства, позволяющие осуществлять перенос электронов один за другим, то есть контролировать каждый бит информации, представленной таким образом. В другом методе один бит информации представлен, как и в классической микроэлектронике, двумя состояниями одноэлектронного транзистора – включен (ток течет через прибор) и выключен (ток через прибор не течет). С точки зрения потребляемой мощности первый метод является более предпочтительным. Однако в этом случае даже один ложный электрон, обусловленный шумами или тепловым возбуждением, полностью видоизменяет результаты работы. Поэтому с точки зрения рабочей стабильности второй метод предпочтительнее [5].
Одноэлектронная ловушка Различные одноэлектронные приборы можно получить при увеличении количества туннельно-связанных островков. Один из них – одноэлектронная ловушка. Главное свойство данного прибора – это би- или мультистабильная внутренняя зарядовая память, то есть в пределах определенного диапазона напряжения U, прикладываемого к затвору, ближайший к затвору островок может быть в одном, двух или более устойчивых зарядовых состояниях.
Генераторы на одноэлектронных транзисторах. Одноэлектронные транзисторы можно использовать для генерации узкополосных сигналов с частотой, по существу, пропорциональной постоянному току f = I/e.
Стандарты постоянного тока. Одноэлектронный прибор может быть использован в качестве стандарта постоянного тока. Принцип его работы основан на стабилизации фазы одноэлектронных колебаний с помощью внешнего высокочастотного источника с характерной частотой f. Стабилизация фазы обеспечивает передачу определенного количества электронов n за период внешнего высокочастотного сигнала и, таким образом, генерацию постоянного тока, который фундаментально связан с частотой через уравнение I = nef.
|
