單電子晶體管

單電子晶體管第一頁，共十五頁，2022年，8月28日目錄一、單電子晶體管定義及結(jié)構(gòu)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(yīng)用及展望第二頁，共十五頁，2022年，8月28日一、定義及結(jié)構(gòu)定義：單電子晶體管是基于庫侖阻塞效應(yīng)和單電子隧道效應(yīng)的基本物理原理的一種新型納米電子器件。結(jié)構(gòu)：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(jié)構(gòu)形式第三頁，共十五頁，2022年，8月28日二、工作原理圖2窄通道結(jié)構(gòu)的勢能圖單電子晶體管的工作原理是基于庫侖阻塞(Coulombblockade)和隧穿效應(yīng)(Tunnelingeffect)?，F(xiàn)在從半經(jīng)典理論分析一個雙勢壘的單電子器件。在中心顆粒(又稱為島嶼或點)和兩電極之間分別有絕緣勢壘。點中約有N個電子，在兩端不加電壓時，平衡的勢能圖如圖2(a)所示。第四頁，共十五頁，2022年，8月28日定義電化學(xué)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(jié)構(gòu)的勢能圖第五頁，共十五頁，2022年，8月28日圖2窄通道結(jié)構(gòu)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?xùn)艍篤g,則單電荷隧穿狀態(tài)和庫侖阻塞狀態(tài)交替出現(xiàn)，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(yīng)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)。第六頁，共十五頁，2022年，8月28日在上面的討論中，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(diào)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(shù)。這就是單電子器件的工作原理。第七頁，共十五頁，2022年，8月28日三、單電子晶體管特征

通常的晶體管在工作時電子數(shù)目每次在106個以上時才能動作，而單電子晶體管工作時每次動作只需一個電子，在其源極和漏極之間的電子是一個一個通過的，每個電子的傳輸都是可以由外加?xùn)艍嚎刂频?。做一個生動的比喻，可以說單電子晶體管與傳統(tǒng)晶體管的差別就像微型注射器與流量很大的水龍頭之間的差別。注射器的水流量可以一滴一滴地精確控制，而水龍頭卻難以做到這一點。較傳統(tǒng)晶體管而言，單電子晶體管可更大規(guī)模地集成，其體積可以縮小到1%，所需電力也能夠減少到十萬分之一以上圖3單電子晶體管與通常晶體管對比圖第八頁，共十五頁，2022年，8月28日1968年，Zeller和Giaever研究了Al-Al2O3-Al結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電特性。結(jié)果顯示，當(dāng)電壓較低時，電流較小，而電壓超過某一臨界電壓Vs時，電導(dǎo)趨向于飽和。Vs強烈地依賴于Sn顆粒的大小。據(jù)此，他們指出，在低溫時，對于單隧道結(jié)，只有當(dāng)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(shù)隨附加電壓的增加而增加。Shekhter據(jù)此分析預(yù)言，此種結(jié)構(gòu)中，I-V曲線將隨電壓的變化作周期性的振蕩。此預(yù)言后來被實驗所證實。這個結(jié)論激發(fā)起人們的靈感，人們開始設(shè)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(chǎn)生。四、單電子晶體管發(fā)展概況第九頁，共十五頁，2022年，8月28日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(dǎo)隨柵壓變化時偶然發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象。1989年的IBM的Meirav等人根據(jù)SET原理，采用分子束外延工藝，利用GaAs/AIGaAs異質(zhì)結(jié)，研制成功SET，在4K溫度下觀察到SET特性。2001年日本科學(xué)家研制成功SET，在SET該中使用的硅和二氧化鐵材料的結(jié)構(gòu)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(lǐng)導(dǎo)的凝聚態(tài)物理中心于1996年研制成功波導(dǎo)型單電子晶體管，它是由一維波導(dǎo)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。第十頁，共十五頁，2022年，8月28日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(xiàn)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(tǒng)，因此需要對自洽與非自洽人造量子系統(tǒng)進行研究。雖然代數(shù)動力學(xué)是一個較好的工具，但也只能解少數(shù)具有動力學(xué)代數(shù)結(jié)構(gòu)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。第十一頁，共十五頁，2022年，8月28日2)在實際制備與操作上，首先，從對雙結(jié)晶體管的分析可以知道，島嶼的庫侖勢為e2/2C，為了使器件能抵抗熱擾動，需e2/2C>kT。因此，為了在室溫下工作，就需要C很小，這對加工要求很高。其次,為了提高加工精度，已經(jīng)從光學(xué)光刻發(fā)展到X射線、電子束、離子束刻蝕等方法。而要達到e2/2C>kT，這些方法都有困難。另外，不僅要能夠制備單個器件，還要能在短時間內(nèi)制備大量的器件，這是制備超大規(guī)模集成電路所必須的。再者，單電子器件對介電質(zhì)中的電荷很敏感，如何消除介電質(zhì)中的電荷以及減少器件對電荷的敏感，對工藝提出了更高的要求。最后是如何使加工單電子器件與現(xiàn)有的工藝設(shè)備結(jié)合起來。第十二頁，共十五頁，2022年，8月28日五、單電子晶體管的應(yīng)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(tǒng)、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(shù)相結(jié)合,有望不久將實現(xiàn)高密度集成化單電子邏輯電路。但是，目前大多數(shù)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。第十三頁，共十五頁，2022年，8月28日由于傳統(tǒng)的集成電路已經(jīng)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(tǒng)器件到量子器件的過渡產(chǎn)品，是符合