(57)【要約】【課題】回路部品を増加することなく、高周波入力端子と出力端子を分離するとともに、単電子トランジスタのアドミタンスに比例した出力信号を得ることができ微小伝導領域のインピーダンス測定回路を提供すること。【解決手段】単一電子の帯電エネルギーが動作温度における熱エネルギーと同程度またはそれ以上となるような微小伝導領域７に、トンネル障壁５とトンネル障壁６が設けられ、トンネル障壁５は、第１端子（高周波入力端子）１に接続され、トンネル障壁６は、キャパシター９を介して接地されるとともに、インダクター８を介して第２端子（高周波出力端子）３に接続され、第１端子１に、キャパシター９とインダクター８のインダクタンスとで決まる共振周波数の高周波信号が入力され、微小伝導領域７における電荷の時間依存性が、第２端子３から出力される前記高周波信号の伝達特性によって測定されることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一電子の帯電エネルギーが動作温度における熱エネルギーと同程度またはそれ以上となるような微小伝導領域に、第１のトンネル障壁又は第１のキャパシターと、第２のトンネル障壁又は第２のキャパシターとが設けられ、
前記第１のトンネル障壁又は第１のキャパシターは第１端子に接続され、
前記第２のトンネル障壁又は第２のキャパシターは、第３のキャパシターを介して接地されるとともに、インダクターを介して第２端子に接続され、
前記第１のトンネル障壁又は第１のキャパシターと、前記第２のトンネル障壁又は第２のキャパシターとの組み合わせは、第１のトンネル障壁と第２のトンネル障壁の組み合わせ、または第１のトンネル障壁と第２のキャパシターの組み合わせ、または第１のキャパシターと第２のトンネル障壁の組み合わせのいずれかが選択され、
前記第１端子に、前記第３のキャパシターと前記インダクターのインダクタンスとで決まる共振周波数の高周波信号が入力され、
前記微小伝導領域における電荷の時間依存性が、前記第２端子から出力される前記高周波信号の伝達特性によって測定されることを特徴とする微小伝導領域のインピーダンス測定回路。
【請求項２】
単一電子の帯電エネルギーが動作温度における熱エネルギーと同程度またはそれ以上となるような微小伝導領域に、第１のトンネル障壁又は第１のキャパシターと、第２のトンネル障壁又は第２のキャパシターとが設けられ、
前記第１のトンネル障壁又は第１のキャパシターは第１端子に接続され、
前記第２のトンネル障壁又は第２のキャパシターは、第３のキャパシターを介して接地されるとともに、インダクターを介して第２端子に接続されている微小伝導領域のインピーダンス測定回路を用いた微小伝導領域のインピーダンス測定方法であって、
前記第１のトンネル障壁又は第１のキャパシターと、前記第２のトンネル障壁又は第２キャパシターとの組み合わせは、第１のトンネル障壁と第２のトンネル障壁の組み合わせ、または第１のトンネル障壁と第２のキャパシターの組み合わせ、または第１のキャパシターと第２のトンネル障壁の組み合わせのいずれかが選択され、
前記第１端子に、前記第３のキャパシターと前記インダクターのインダクタンスとで決まる共振周波数の高周波信号を入力して、前記第２端子から出力される前記高周波信号の伝達特性を測定することを特徴とする微小伝導領域のインピーダンス測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単電子トランジスタのインピーダンスすなわち微小島における電荷の時間依存性を、高周波信号の伝達特性によって測定する微小伝導領域のインピーダンス測定回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の高周波単電子トランジスタ回路は、通常図２のように構成されている。単一電子の帯電エネルギーが動作温度における熱エネルギーと同程度またはそれ以上となるような微小伝導領域７（以下、「微小島」という）に、２つのトンネル障壁５、６を介して電子を出し入れすることができる。通常、このような微小島７は、半導体や金属を微細加工することによって、あるいは微小な伝導性分子や微粒子と半導体や金属とのトンネル接合を作製することによって得られる。典型的な高周波単電子トランジスタ回路においては、微小島７は、トンネル障壁６によって接地され、トンネル障壁５を介して人為的または寄生的に形成されたキャパシター９を介して接地され、かつインダクター８を介して高周波信号を入出力する入出力端子２１に接続されている。
【０００３】
キャパシター９とインダクター８で定められる共振周波数の高周波を入出力端子２１に入力すると反射信号が上記入出力端子２１に現れる。このとき、高周波の入力信号に対する反射信号の比、すなわち反射係数を測定することによって、単電子トランジスタのインピーダンスを高速かつ高感度に求めることができる。このとき、単電子トランジスタのインピーダンスは微小島の電荷状態によって決まるため、高速かつ高感度な電荷計として利用することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、このような従来型の高周波単電子トランジスタ回路においては、高周波の入出力端子が１つであるため、入力信号と反射信号の分離回路を外部に必要とするという問題点があった。また、測定される反射係数は、単電子トランジスタが高抵抗（クーロンブロッケード状態）の場合には原理的に１であり、単電子トランジスタが低抵抗（１０キロオーム以上）の場合でも、通常用いられている回路定数では１を僅かに下回る値で、インピーダンスまたはアドミタンス（複素伝導度）を得るためには、上記の僅かな反射係数の差を測定する必要があるとともに、大きな精度（桁数）が要求されるという問題があった。
【０００５】
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、回路部品を増加することなく、高周波入力端子と出力端子を分離するとともに、単電子トランジスタのアドミタンスに比例した出力信号を得ることができ微小伝導領域のインピーダンス測定回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的を達成するために、請求項１に記載の微小伝導領域のインピーダンス測定回路は、単一電子の帯電エネルギーが動作温度における熱エネルギーと同程度またはそれ以上となるような微小伝導領域（以下、「微小島」という）に、第１のトンネル障壁又は第１のキャパシターと、第２のトンネル障壁又は第２のキャパシターとが設けられ、
前記第１のトンネル障壁又は第１のキャパシターは第１端子に接続され、
前記第２のトンネル障壁又は第２のキャパシターは、第３のキャパシターを介して接地されるとともに、インダクターを介して第２端子に接続され、
前記第１のトンネル障壁又は第１のキャパシターと、前記第２のトンネル障壁又は第２のキャパシターとの組み合わせは、第１のトンネル障壁と第２のトンネル障壁の組み合わせ、または第１のトンネル障壁と第２のキャパシターの組み合わせ、または第１のキャパシターと第２のトンネル障壁の組み合わせのいずれかが選択され、
前記第１端子に、前記第３のキャパシターと前記インダクターのインダクタンスとで決まる共振周波数の高周波信号が入力され、
前記微小伝導領域における電荷の時間依存性が、前記第２端子から出力される前記高周波信号の伝達特性によって測定されることを特徴とする。
【０００７】
また請求項２に記載の微小伝導領域のインピーダンス測定方法は、単一電子の帯電エネルギーが動作温度における熱エネルギーと同程度またはそれ以上となるような微小伝導領域に、第１のトンネル障壁又は第１のキャパシターと、第２のトンネル障壁又は第２のキャパシターとが設けられ、
前記第１のトンネル障壁又は第１のキャパシターは第１端子に接続され、
前記第２のトンネル障壁又は第２のキャパシターは、第３のキャパシターを介して接地されるとともに、インダクターを介して第２端子に接続されている微小伝導領域のインピーダンス測定回路を用いた微小伝導領域のインピーダンス測定方法であって、
前記第１のトンネル障壁又は第１のキャパシターと、前記第２のトンネル障壁又は第２キャパシターとの組み合わせは、第１のトンネル障壁と第２のトンネル障壁の組み合わせ、または第１のトンネル障壁と第２のキャパシターの組み合わせ、または第１のキャパシターと第２のトンネル障壁の組み合わせのいずれかが選択され、
前記第１端子に、前記第３のキャパシターと前記インダクターのインダクタンスとで決まる共振周波数の高周波信号を入力して、前記第２端子から出力される前記高周波信号の伝達特性を測定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る微小伝導領域のインピーダンス測定回路は、従来型のものと比べて、回路部品を増加することなく、高周波入力端子と出力端子を分離することができるとともに、単電子トランジスタのアドミタンスに比例した透過率を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は本発明の実施例に係る微小伝導領域のインピーダンス測定回路の構成図である。微小島７は、半導体や金属を微細加工することによって、あるいは微小な伝導性分子や微粒子と半導体や金属とのトンネル接合を作製することによって得られ、１つ以上のトンネル障壁を介して電子を１個づつ出し入れすることができる。このような微小島７にはトンネル障壁５を介して第１端子である高周波入力端子１が接続されている。また、微小島７は、トンネル障壁６とキャパシター９を介して接地され、さらに、微小島７には第２の端子である高周波出力端子３に接続されたインダクター８が接続されている。なお、キャパシター９は、人為的なものでもよいし寄生的に形成されたものでもよい。
【００１０】
本発明において、キャパシター９（キャパシタンスをＣとする。通常の単電子トランジスタ素子では、寄生容量によってＣ〜０．５ｐＦ程度である）とインダクター８（インダクタンスをＬとする。例えば、高周波用チップインダクターを使うことにより、Ｌ〜１００ｎＨ程度のものが得られる。）とで構成される共振周波数｛ｆ＝１／２π（ＬＣ）−１／２｝で与えられ、通常１００メガヘルツ〜数ギガヘルツ）の高周波を入力端子１より導入すると、透過した高周波が出力端子３に現れる。入力端子１および出力端子３は、特性インピーダンスＺ０（通常５０オーム）で、それぞれ高周波電源および検出系（例えばダイオード検波や、ホモダイン検波法）に接続されているものとする。共振回路のクオリティファクター｛Ｑ＝１／Ｚ０×（Ｌ／Ｃ）１／２｝で与えられ、通常５〜２０程度が１より十分大きく、共振回路内の実効的なインピーダンス（ＱＺ０で与えられ、５００オーム〜１キロオーム程度）よりも単電子トランジスタのインピーダンスＺｘ（１０キロオーム〜１ギガオーム、またはそれ以上）が大きい領域においては、出力電圧Ｖ０を入力電圧Ｖ１で割った電圧透過率Ｖ０／Ｖ１は、Ｖ０／Ｖ１＝ＱＺ０／ｊＺｘで与えられる（ここで、ｊ２≡−１）で、位相が９０度ずれて出力されることを示す）。これは、透過率が単電子トランジスタのインピーダンスに逆比例すること、すなわち単電子トランジスタのアドミタンス（複素伝導度）に比例した信号を得ることができることを示している。
【００１１】
出力電圧をホモダイン検波などによって検出すると、単電子トランジスタのインピーダンスを抵抗成分と容量成分を分離することが可能であり、微小なトンネル容量の測定も可能である。
【００１２】
また、単電子トランジスタの素子に印可される高周波電圧は、微小島の帯電エネルギーと同程度に設定しなければならないが、本回路においては、素子の印可電圧は入力電圧とほぼ等しく、キャパシタンスやインダクタンスの値に依存しないという効果がある。
【００１３】
また、本回路構成においても、電荷の高感度検出、高速応答という高周波単電子トランジスタの利点において、従来型の高周波単電子トランジスタと比べて遜色はない。
【００１４】
以上の実施例においては、２つのトンネル障壁５および６を用いた場合についてであるが、いずれか一方がトンネル障壁ではなくキャパシターでも同様の効果が期待される。
【００１５】
また、本回路構成は、比較的高いインピーダンスを有する他の素子にも適応することができる。例えば、量子ポイントコンタクトは、１つの微小なトンネル障壁を介して、電子が流れる素子で、量子ポイントコンタクト近傍の電荷を反映して素子の伝導度が変化する。この場合、単電子トランジスタを、量子ポイントコンタクト構造に置き換えることによって、量子ポイントコンタクトのアドミタンスに比例した信号を得ることができ、高速応答の電荷計として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例に係る回路図である。
【図２】従来例に係る回路図である。
【符号の説明】
【００１７】
１  第１端子（高周波入力端子）
２  入力側接地端子
３  第２端子（高周波出力端子）
４  出力側接地端子
５  トンネル障壁
６  トンネル障壁
７  微小島
８  インダクター
９  キャパシター
２１  高周波入出力端子
２２  接地端子
【図１】
2008294485.tif 000003
【図２】
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