单电子晶体管

单电子晶体管李广立1309105520131003目录一、单电子晶体管定义及结构二、单电子晶体管工作原理三、单电子晶体管特征四、单电子晶体管发展概况五、单电子晶体管的应用及展望一、定义及结构定义：单电子晶体管是基于库仑阻塞效应和单电子隧道效应的基本物理原理的一种新型纳米电子器件。结构：一般它由以下5部分组成，（1）库仑岛或量子点；（2）隧道势垒；（3）势垒区；（4）栅氧化层；（5）源、漏、极。如右图1所示。图1SET的基本结构形式二、工作原理图2窄通道结构的势能图•单电子晶体管的工作原理是基于库仑阻塞(Coulombblockade)和隧穿效应(Tunnelingeffect)。现在从半经典理论分析一个双势垒的单电子器件。在中心颗粒(又称为岛屿或点)和两电极之间分别有绝缘势垒。点中约有N个电子，在两端不加电压时，平衡的势能图如图2(a)所示。•定义电化学势μd(N)为将第N个电子加到点上所需要的能量。在外加偏压下，点的电势有两种情形。情形如图2(b)时，μd(N)μ2μ1μd（N+1），此时，不能再加第N+1个电子到点中，电子输运被禁止，称为库仑阻塞。如果改变电压，则达到第二种情形，如图2(c),即μ1μd（N+1）μ2。此时，电子可以从左边库进入到点中，然后再出来到右边库。图2窄通道结构的势能图图2窄通道结构的势能图如图中箭头所示形成电流，这称为单电荷隧穿。如果不断增加栅压Vg,则单电荷隧穿状态和库仑阻塞状态交替出现，称为库仑振荡(Coulomboscillation)。如果将两极电压变化而栅压不变，随着V的增加，I将以台阶式增加，每一个台阶对应增加一个电子输运，台阶之间的间隔为△V=e/C，称为库仑台阶(Coulombstaircase)。在上面的讨论中，电荷通过比自己能量高的势垒的隧穿是由粒子的波粒二象性决定的，通过解薛定谔方程，可得出隧穿几率随势垒高度变化而变化的定量公式。因此，人为调节栅压和两极电压，就可以控制电荷的通过或者截止，且能控制每次流过电荷的个数。这就是单电子器件的工作原理。三、单电子晶体管特征通常的晶体管在工作时电子数目每次在106个以上时才能动作，而单电子晶体管工作时每次动作只需一个电子，在其源极和漏极之间的电子是一个一个通过的，每个电子的传输都是可以由外加栅压控制的。做一个生动的比喻，可以说单电子晶体管与传统晶体管的差别就像微型注射器与流量很大的水龙头之间的差别。注射器的水流量可以一滴一滴地精确控制，而水龙头却难以做到这一点。较传统晶体管而言，单电子晶体管可更大规模地集成，其体积可以缩小到1%，所需电力也能够减少到十万分之一以上图3单电子晶体管与通常晶体管对比图1968年，Zeller和Giaever研究了Al-Al2O3-Al结构的导电特性。结果显示，当电压较低时，电流较小，而电压超过某一临界电压Vs时，电导趋向于饱和。Vs强烈地依赖于Sn颗粒的大小。据此，他们指出，在低温时，对于单隧道结，只有当Ve/2C时才有电流，并将这一电压值称为库仑抑制势。1969年，Lambe和Jaklevic的实验表明，金属颗粒中的平均电荷数随附加电压的增加而增加。Shekhter据此分析预言，此种结构中，I-V曲线将随电压的变化作周期性的振荡。此预言后来被实验所证实。这个结论激发起人们的灵感，人们开始设想，可以通过周期性地改变中间金属颗粒的电压来控制单个电子的通过与截断。单电子晶体管的概念就这样产生。四、单电子晶体管发展概况•1988年MIT的ScottThoms在0.2K温度下测量极窄的n沟硅MOS晶体管的沟道电导随栅压变化时偶然发现现象。1989年的IBM的Meirav等人根据SET原理，采用分子束外延工艺，利用GaAs/AIGaAs异质结，研制成功SET，在4K温度下观察到SET特性。2001年日本科学家研制成功SET，在SET该中使用的硅和二氧化铁材料的结构尺寸都达到10nm左右的尺度。近几年来,SET已成为纳米电子器件研究的热点。我国中科院物理所王太宏教授领导的凝聚态物理中心于1996年研制成功波导型单电子晶体管，它是由一维波导及线条栅等组成的SET，其工作温度高、性能稳定和适用集成。1999年又研制成功可工作在90K以上的高温点接触平面栅型单电子晶体管，于2001年9月在美国召开的国际纳米器件研讨会上发表，得到了国外同行专家的好评。存在问题单电子器件虽然有很多优点，但是也存在不少问题。主要体现在以下两个方面。1)在理论上，对单电子器件中载流子的行为还不能十分精确地了解。单电子器件是一种人造量子系统，因此需要对自洽与非自洽人造量子系统进行研究。虽然代数动力学是一个较好的工具，但也只能解少数具有动力学代数结构的部分。另外，单电子器件中的粒子既不同于宏观的无限多粒子体系,也不同于单分子、原子体系。它是一种介观体系，研究纯宏观与纯微观的理论和方法均需要加以修正。对于制备ULSI来说，载流子波动的相互干涉对计算机的运行稳定性问题均需要研究。•2)在实际制备与操作上，首先，从对双结晶体管的分析可以知道，岛屿的库仑势为e2/2C，为了使器件能抵抗热扰动，需e2/2CkT。因此，为了在室温下工作，就需要C很小，这对加工要求很高。其次,为了提高加工精度，已经从光学光刻发展到X射线、电子束、离子束刻蚀等方法。而要达到e2/2CkT，这些方法都有困难。另外，不仅要能够制备单个器件，还要能在短时间内制备大量的器件，这是制备超大规模集成电路所必须的。再者，单电子器件对介电质中的电荷很敏感，如何消除介电质中的电荷以及减少器件对电荷的敏感，对工艺提出了更高的要求。最后是如何使加工单电子器件与现有的工艺设备结合起来。五、单电子晶体管的应用及展望•由于SET具有高频、高速、功耗小、集成度高和适用作多值逻辑等特性，所以SET可广泛用于高速高密度IC、超高灵敏度静电计、单光子器件、高灵敏度红外辐射探测器、超高速微功耗特大规模量子功能器件、电路和系统、量子功能计算机等。如日本电信电话公司于1999年12月研制成功采用多个单电子晶体管的电子计算机逻辑电路，最初的电路是一个加法器。2001年4月又研制成功基于硅衬底可高密度集成化的单电子晶体管和单电子元件。如果把各种技术相结合,有望不久将实现高密度集成化单电子逻辑电路。但是，目前大多数单电子晶体管和IC的工作温度都较低，通常在液氮温度（77K）。目前，人们正在探索室温工作的SET及其IC。•由于传统的集成电路已经快达到其物理极限,如果想使集成电路进一步发展，就必须寻求新的方法和器件。单电子器件作为一种从传统器件到量子器件的过渡产品，是符合实际情况的途径，也许从某种意义上说它是一种终极器件。随着理论研究的深入和加工手段的提高，单电子器件有可能是十几年后计算机的核心部件。另外，单电子器件还可以应用于量子测量、高灵敏红外辐射探测器等领域。