Transistor de un solo electrón

Transistor de un solo electrón ( eng. Transistor de un solo electrón , SET ) es el concepto de un transistor que utiliza la capacidad de obtener cambios de voltaje notables al manipular electrones individuales . Esta posibilidad existe, en particular, debido al fenómeno del bloqueo de Coulomb .

Historia

Por primera vez, los científicos soviéticos K. K. Likharev y D. V. Averin informaron en 1986 sobre la posibilidad de crear transistores de un solo electrón basados en el bloqueo de Coulomb [1] . En 1996, los físicos rusos S. P. Gubin, V. V. Kolesov, E. S. Soldatov, A. S. Trifonov, V. V. Khanin, G. B. Khomutov, S. A. Yakovenko crearon por primera vez en el mundo un transistor de nanocúmulo molecular de un solo electrón que funciona a temperatura ambiente [2] .[ significado del hecho? ]

Dispositivo

Similar a un transistor semiconductor de efecto de campo, un transistor de un solo electrón tiene tres electrodos: una fuente, un drenaje y una puerta. En el área entre los electrodos hay dos uniones de túnel , separadas por un electrodo adicional de metal o semiconductor con una capacitancia baja, que se llama la "isla" . La isla es una nanopartícula o racimo de tamaños nanométricos, aislada de los electrodos por capas dieléctricas, a través de las cuales el electrón puede moverse bajo ciertas condiciones. El potencial eléctrico de la isla se puede controlar cambiando el voltaje de puerta, con el que la isla está acoplada capacitivamente. Si se aplica un voltaje entre la fuente y el drenaje, entonces, en términos generales, no fluirá corriente, ya que los electrones están bloqueados en la nanopartícula. Cuando el potencial en la puerta se vuelve mayor que un cierto valor de umbral, el bloqueo de Coulomb se romperá, el electrón pasará a través de la barrera y la corriente comenzará a fluir en el circuito fuente-drenador. En este caso, la corriente en el circuito fluirá en porciones, lo que corresponde al movimiento de electrones individuales. Por lo tanto, al controlar el potencial de la puerta, es posible pasar electrones individuales a través de las barreras de Coulomb. El número de electrones en una nanopartícula no debe ser superior a 10 (y preferiblemente menos). Esto se puede lograr en estructuras cuánticas con un tamaño del orden de 10 nm .

Consideremos los estados cuánticos de un electrón a diferentes potenciales de puerta. En el estado bloqueado, el electrón fuente no tiene niveles de energía disponibles dentro del rango de tunelización (punto rojo en la Fig. 2). Todos los niveles con menos energía de la isla están ocupados.

Cuando se aplica un potencial positivo a la puerta, los niveles de energía en la isla disminuyen. Un electrón (verde 1.) puede hacer un túnel a una isla (verde 2.), ocupando un nivel de energía libre. Desde aquí, puede hacer un túnel hasta el drenaje (verde 3.), donde se disipa de forma inelástica y alcanza el nivel de Fermi allí (verde 4.).

Los niveles de energía en la isla están distribuidos uniformemente; la distancia entre ellos ( ) es igual a la energía requerida para que cada electrón posterior golpee la isla con una capacidad . Cuanto más bajo , más . Para superar el bloqueo de Coulomb, se deben cumplir tres condiciones: $\Delta E$ $C$ $C$ $\Delta E$

el voltaje de polarización no puede exceder la energía de carga;
la energía térmica debe ser menor que la energía de carga , o el electrón debe atravesar el punto cuántico debido a la excitación térmica; $k_{B}T$ $E_{C}={\frac{e^{2}}{C}}$
la resistencia a la tunelización ( ) debe ser mayor que , lo que se deriva del principio de incertidumbre de Heisenberg . $R_{t}$ ${\frac{h}{e^{2))}$

Teoría elemental del trabajo

Un transistor de un solo electrón contiene dos uniones de túnel. La carga de fondo del dieléctrico en el que se encuentra la isla se denota por , y denota el número de electrones que pasan a través de las uniones de túnel primera y segunda, respectivamente. $q_{0}$ $n_{1}$ $n_{2}$

Las cargas correspondientes en el primer y segundo cruce del túnel y en la isla se pueden escribir como:

q_{1}=C_{1}V_{1}

q_{2}=C_{2}V_{2}

q=q_{2}-q_{1}+q_{0}=-ne+q_{0}

donde y son las capacidades de fuga parásitas de las uniones del túnel. Teniendo en cuenta la relación , se pueden obtener los siguientes valores de voltajes en los cruces del túnel: $C_{1}$ $C_{2}$ $V_{b}=V_{1}+V_{2}$

V_{1}={\frac{C_{2}V_{b}+ne-q_{0}}{C_{\Sigma }}}

V_{2}={\frac{C_{1}V_{b}-ne+q_{0}}{C_{\Sigma }}}

donde _ $C_{\Sigma}=C_{1}+C_{2}$

La energía electrostática de la doble unión de las uniones de túnel será

E_{C}={\frac {q_{1}^{2}}{2C_{1}}}+{\frac {q_{2}^{2}}{2C_{2}}}={\frac {C_{1}C_{2}V_{b}^{2}+(ne-q_{0})^{2}}{2C_{\Sigma }}}

El trabajo realizado al tunelizar electrones a través de la primera y segunda transiciones será, respectivamente:

W_{1}={\frac{n_{1}eV_{b}C_{2}}{C_{\Sigma }}}

W_{2}={\frac{n_{2}eV_{b}C_{1}}{C_{\Sigma }}}

Considerando la definición estándar de energía libre en la forma:

F=E_{\Sigma}-W

donde , encontramos la energía libre de un transistor de un solo electrón: $E_{\Sigma}=E_{C}=\Delta E_{F}+E_{N}$

F\left(n,\ n_{1},\ n_{2}\right)=E_{C}-W={\frac {1}{C_{\Sigma ))}\left({\ fracción {1}{2}}C_{1}C_{2}V_{b}^{2}+\left(ne-q_{0}\right)^{2}+eV_{b}C_{1} n_{2}+C_{2}n_{1}\right)

Para mayor consideración, es necesario conocer el cambio en la energía libre a temperatura cero en ambas uniones del túnel:

\Delta F_{1}^{\pm \;}=F(n\pm \;1,\ n_{1}\pm \;1,\ n_{2})-F(n,\ n_ {1},\ n_{2})={\frac {e}{C_{\Sigma }}}\left[{\frac {e}{2}}\pm \;(V_{b}C_{2 }+ne-q_{0})\right]

\Delta F_{2}^{\pm \;}=F(n\pm \;1,\ n_{1},\ n_{2}\pm \;1\pm \;1)-F (n,\ n_{1},\ n_{2})={\frac {e}{C_{\Sigma }}}\left[{\frac {e}{2}}\pm \;(V_{ b}C_{1}-ne+q_{0})\right]

La probabilidad de una transición de túnel será alta cuando el cambio de energía libre sea negativo. El término principal en las expresiones anteriores y determina un valor positivo hasta que el voltaje aplicado supera el valor umbral, que depende de la menor de las capacitancias. En el caso general, para una isla sin carga ( , ), para transiciones simétricas ( ), tenemos la condición $\Delta F$ $V_{b}$ $n=0$ $q_{0}=0$ $C_{1}=C_{2}=C$

V_{th}=\left|V_{b}\right|\geq \;{\frac {e}{2C))

(es decir, el voltaje de umbral se reduce a la mitad en comparación con una transición).

Con voltaje aplicado cero, el nivel de Fermi en los electrodos metálicos estará dentro del espacio de energía. Cuando el voltaje sube al valor de umbral, se produce un túnel de izquierda a derecha, y cuando el voltaje inverso sube por encima del umbral, se produce un túnel de derecha a izquierda.

La existencia del bloqueo de Coulomb se ve claramente en la característica corriente-voltaje de un transistor de un solo electrón (el gráfico de la corriente de drenaje frente al voltaje de puerta). A voltajes de puerta bajos (en valor absoluto), la corriente de drenaje será cero, y cuando el voltaje sube por encima del umbral, las uniones se comportan como una resistencia óhmica (en el caso de la misma permeabilidad de las uniones) y la corriente aumenta linealmente. Cabe señalar aquí que la carga de fondo en el dieléctrico no solo puede reducir, sino también bloquear completamente el bloqueo de Coulomb . $q_{0}=\pm \;(0.5+m)e$

En el caso de que la permeabilidad de las barreras de tunelización sea muy diferente ( ), surge una característica I-V escalonada de un transistor de un solo electrón. El electrón hace un túnel hacia la isla a través de la primera unión y se retiene en ella debido al alto valor de la resistencia de túnel de la segunda unión. Después de un cierto período de tiempo, el electrón hace un túnel a través de la segunda transición, pero este proceso hace que el segundo electrón haga un túnel a la isla a través de la primera transición. Por lo tanto, la mayor parte del tiempo la isla se carga con más de una carga. Para el caso de permeabilidad inversa ( ), la isla estará despoblada y su carga disminuirá escalonadamente. Solo ahora se puede entender el principio de funcionamiento de un transistor de un solo electrón. Su circuito equivalente se puede representar como una conexión en serie de dos uniones de túnel, a cuyo punto de conexión se le añade otro electrodo de control (puerta), que se conecta a la isla a través de una capacitancia de control . El electrodo de compuerta puede cambiar la carga de fondo en el dieléctrico porque la compuerta además polariza la isla para que la carga de la isla sea igual a $R_{{T1}}\gg\;R_{{T2}}=R_{T}$ $R_{{T1}}\ll \;R_{{T2}}=R_{T}$ $C_{g}$

q=-ne+q_{0}+C_{g}(V_{g}-V_{2})

Sustituyendo este valor en las fórmulas que se encuentran arriba, encontramos nuevos valores para los voltajes en las uniones:

V_{1}={\frac {(C_{2}+C_{g})V_{b}-C_{g}V_{g}+ne-q_{0}}{C_{\Sigma }}}

V_{2}={\frac{C_{1}V_{b}+C_{g}V_{g}-ne+q_{0}}{C_{\Sigma }}}

donde _ La energía electrostática debe incluir la energía almacenada en el capacitor de la puerta, y el trabajo realizado por el voltaje de la puerta debe tenerse en cuenta en la energía libre: $C_{\Sigma}=C_{1}+C_{2}+C_{g}$

\Delta F_{1}^{\pm \;}={\frac {e}{C_{\Sigma }}}\left[{\frac {e}{2}}\pm \;V_{ b}(C_{2}+C_{g})-V_{g}C_{g}+ne+q_{0}\right]

\Delta F_{2}^{\pm \;}={\frac {e}{C_{\Sigma }}}\left[{\frac {e}{2}}\pm \;V_{ b}C_{1}+V_{g}C_{g}-ne+q_{0}\right]

A temperatura cero, solo se permiten transiciones con energía libre negativa: o . Estas condiciones se pueden usar para encontrar las regiones de estabilidad en el plano . $\Delta F_{1}<0$ $\Delta F_{2}<0$ $V_{b}-V_{g}$

A medida que aumenta el voltaje de la compuerta mientras el voltaje de suministro se mantiene por debajo del voltaje de bloqueo de Coulomb (es decir , ), la corriente de salida de drenaje oscilará con un período de . Estas áreas corresponden a buzamientos en el área de estabilidad. Cabe señalar aquí que las oscilaciones de la corriente de tunelización proceden en el tiempo, y las oscilaciones en dos uniones conectadas en serie tienen una periodicidad con respecto al voltaje de control de la puerta. El ensanchamiento térmico de las oscilaciones aumenta en gran medida con el aumento de la temperatura. $V_{b}<e/C_{{\Sigma}}$ $e/C_{\Sigma}$

Direcciones de investigación

Se pueden obtener varios dispositivos de un solo electrón aumentando el número de nanoislas acopladas a túneles. Uno de estos dispositivos es la trampa de un solo electrón. La propiedad principal de este dispositivo es la llamada memoria de carga interna biestable o multiestable. En una trampa de un solo electrón, dentro de un cierto rango de voltaje aplicado a la puerta, una de las nanoislas (generalmente la más cercana a la puerta) puede estar en uno, dos o más estados de carga estables, es decir, contener uno, dos o varios. electrones Sobre esta base, ya se están creando varios elementos lógicos en la actualidad, que en un futuro próximo pueden convertirse en el elemento base de las nanocomputadoras.

En 2008, un grupo de científicos de la Universidad de Manchester ( A. K. Geim , K. S. Novoselov , L. Ponomarenko y otros) informaron los resultados de un experimento que demostró la posibilidad fundamental de crear un transistor de un solo electrón con un tamaño de aproximadamente 10 nm. . Tal transistor de un solo electrón puede ser un elemento único de futuros microcircuitos de grafeno. Los investigadores del grafeno creen que es posible reducir el tamaño de un punto cuántico a 1 nm , mientras que las características físicas del transistor no deberían cambiar [3] .

Véase también

bloqueo de culombio

Notas

↑ Nanoelectrónica. Dispositivos basados en tunelización de un solo electrón (enlace inaccesible)
↑ ¿Hecho por primera vez? Entonces, en Rusia! . Consultado el 11 de diciembre de 2009. Archivado desde el original el 19 de marzo de 2012. (indefinido)
↑ Se ha creado un prototipo de un transistor basado en grafeno de un solo electrón. (enlace no disponible)

Enlaces

Dispositivos de un solo electrón con regiones de conducción de silicio integradas. Archivado el 10 de octubre de 2006 en Wayback Machine .
¿El grafeno enterrará el transistor? Archivado el 8 de octubre de 2010 en Wayback Machine .

Om Kumar, Manjit Kaur, TRANSISTOR DE ELECTRÓN ÚNICO: APLICACIONES Y PROBLEMAS / Revista internacional de diseño VLSI y sistemas de comunicación (VLSICS) Vol.1, No.4, diciembre de 2010