單電子晶體管課件

單電子晶體管目錄一、單電子晶體管定義及結構二、單電子晶體管工作原理三、單電子晶體管特征四、單電子晶體管發(fā)展概況五、單電子晶體管的應用及展望一、定義及結構定義：單電子晶體管是基于庫侖阻塞效應和單電子隧道效應的基本物理原理的一種新型納米電子器件。結構：一般它由以下5部分組成，（1）庫侖島或量子點；（2）隧道勢壘；（3）勢壘區(qū)；（4）柵氧化層；（5）源、漏、極。如右圖1所示。圖1SET的基本結構形式定義電化學勢μd(N)為將第N個電子加到點上所需要的能量。在外加偏壓下，點的電勢有兩種情形。情形如圖2(b)時，μd(N)<μ2<μ1<μd（N+1），此時，不能再加第N+1個電子到點中，電子輸運被禁止，稱為庫侖阻塞。如果改變電壓，則達到第二種情形，如圖2(c),即μ1>μd（N+1）>μ2。此時，電子可以從左邊庫進入到點中，然后再出來到右邊庫。圖2窄通道結構的勢能圖圖2窄通道結構的勢能圖如圖中箭頭所示形成電流，這稱為單電荷隧穿。如果不斷增加柵壓Vg,則單電荷隧穿狀態(tài)和庫侖阻塞狀態(tài)交替出現，稱為庫侖振蕩(Coulomboscillation)。如果將兩極電壓變化而柵壓不變，隨著V的增加，I將以臺階式增加，每一個臺階對應增加一個電子輸運，臺階之間的間隔為△V=e/C，稱為庫侖臺階(Coulombstaircase)。在上面的討論中，電荷通過比自己能量高的勢壘的隧穿是由粒子的波粒二象性決定的，通過解薛定諤方程，可得出隧穿幾率隨勢壘高度變化而變化的定量公式。因此，人為調節(jié)柵壓和兩極電壓，就可以控制電荷的通過或者截止，且能控制每次流過電荷的個數。這就是單電子器件的工作原理。1968年，Zeller和Giaever研究了Al-Al2O3-Al結構的導電特性。結果顯示，當電壓較低時，電流較小，而電壓超過某一臨界電壓Vs時，電導趨向于飽和。Vs強烈地依賴于Sn顆粒的大小。據此，他們指出，在低溫時，對于單隧道結，只有當V>e/2C時才有電流，并將這一電壓值稱為庫侖抑制勢。1969年，Lambe和Jaklevic的實驗表明，金屬顆粒中的平均電荷數隨附加電壓的增加而增加。Shekhter據此分析預言，此種結構中，I-V曲線將隨電壓的變化作周期性的振蕩。此預言后來被實驗所證實。這個結論激發(fā)起人們的靈感，人們開始設想，可以通過周期性地改變中間金屬顆粒的電壓來控制單個電子的通過與截斷。單電子晶體管的概念就這樣產生。四、單電子晶體管發(fā)展概況1988年MIT的ScottThoms在0.2K溫度下測量極窄的n溝硅MOS晶體管的溝道電導隨柵壓變化時偶然發(fā)現現象。1989年的IBM的Meirav等人根據SET原理，采用分子束外延工藝，利用GaAs/AIGaAs異質結，研制成功SET，在4K溫度下觀察到SET特性。2001年日本科學家研制成功SET，在SET該中使用的硅和二氧化鐵材料的結構尺寸都達到10nm左右的尺度。近幾年來,SET已成為納米電子器件研究的熱點。我國中科院物理所王太宏教授領導的凝聚態(tài)物理中心于1996年研制成功波導型單電子晶體管，它是由一維波導及線條柵等組成的SET，其工作溫度高、性能穩(wěn)定和適用集成。1999年又研制成功可工作在90K以上的高溫點接觸平面柵型單電子晶體管，于2001年9月在美國召開的國際納米器件研討會上發(fā)表，得到了國外同行專家的好評。存在問題單電子器件雖然有很多優(yōu)點，但是也存在不少問題。主要體現在以下兩個方面。1)在理論上，對單電子器件中載流子的行為還不能十分精確地了解。單電子器件是一種人造量子系統，因此需要對自洽與非自洽人造量子系統進行研究。雖然代數動力學是一個較好的工具，但也只能解少數具有動力學代數結構的部分。另外，單電子器件中的粒子既不同于宏觀的無限多粒子體系,也不同于單分子、原子體系。它是一種介觀體系，研究純宏觀與純微觀的理論和方法均需要加以修正。對于制備ULSI來說，載流子波動的相互干涉對計算機的運行穩(wěn)定性問題均需要研究。五、單電子晶體管的應用及展望由于SET具有高頻、高速、功耗小、集成度高和適用作多值邏輯等特性，所以SET可廣泛用于高速高密度IC、超高靈敏度靜電計、單光子器件、高靈敏度紅外輻射探測器、超高速微功耗特大規(guī)模量子功能器件、電路和系統、量子功能計算機等。如日本電信電話公司于1999年12月研制成功采用多個單電子晶體管的電子計算機邏輯電路，最初的電路是一個加法器。2001年4月又研制成功基于硅襯底可高密度集成化的單電子晶體管和單電子元件。如果把各種技術相結合,有望不久將實現高密度集成化單電子邏輯電路。但是，目前大多數單電子晶體管和IC的工作溫度都較低，通常在液氮溫度（77K）。目前，人們正在探索室溫工作的SET及其IC。由于傳統的集成電路已經快達到其物理極限,如果想使集成電路進一步發(fā)展，就必須尋求新的方法和器件。單電子器件作為一種從傳統器件到量子器件的過渡產品，是符合實際情況的途徑，也許