Üheelektroni-transistor

Üheelektroni-transistor (SET, tuleb ingliskeelsest sõnast single-electron transistor) on elektrooniline seade, mis põhineb kulonilise barjääri (Coulomb blockade) efektil. Selles seades liiguvad elektronid läbi tunnelbarjääri (tunnel junction) nanopunktkanalisse, mis on kvanttäpp. Kvanttäpi potentsiaali on võimalik muuta kolmanda elektroodi ehk paisuelektroodiga. Kvanttäpp on kahe barjääri vahel, mis on näidatud joonisel paralleelsete kondensaatorite ja takistitena Esimesest ühe elektroni transistorist, mis toimib kulonilise barjääri efektil, kirjutasid aastal 1986 Nõukogude Liidu teadlased K. K. Likharev ja D. V. Averin.Aastal 1992 demonstreeris USA teadlane Marc. A. Kastner kvanttäpi energiatasemete olulisust. Aastal 2002 avaldasid vene teadlased S. P. Gubin, V. V. Kolesov, E. S. Soldatov, A. S. Trifonov, V. V. Khanin, G. B. Khomutov ja S. A. Jakovenko esimese molekulil põhineva toatemperatuuril toimiva ühe elektroni transistori. SET koosneb kolmest elektroodist, läte, neel ja pais. Erinevus teistest transistoridest seisneb energiabarjääris ja kvanttäpis. Tavalistes transistorides muutub kanali juhtivus,kui muudetakse paisuelektroodi pinget. SET puhul on läte ja neel eraldatud barjääriga, mille keskel on juhtiv kvanttäpp, mida võib kutsuda ka "saareks". Saare potentsiaali on võimalik muuta paisuelektroodi pinge muutmisega. Saare mõõtmed on nii väikesed, et korraga mahub läbi üks kuni kolm elektroni, ülejäänud elektronide jaoks tekib kuloniline (uusi samamärgilisi laengukandjaid tõukav) barjäär. Sellise protsessiga liigub korraga saarest läbi väike ja täpselt kontrollitav kogus elektrone. Vool, I , {\displaystyle I,} liigub lättest neelu Ohmi seaduse kohaselt, kui rakendatakse pinge U S D {\displaystyle U_{\rm {SD}}} .Võrrand tuleb I = U S D R , {\displaystyle I={\tfrac {U_{\rm {SD}}}{R}},} kus takistus R , {\displaystyle R,} tuleneb tunnelefektidest, kui elektronid liiguvad lättest saarele ja saarelt neelu. Paisupinge U G {\displaystyle U_{\rm {G}}} reguleerib saare takistust, mis omakorda reguleerib elektronide voolu. Blokeeritud olekus on kõik saare madalad energiatasemed täidetud ja lätteelektronid ei saa tunnelleeruda neile tasemetele. Kui elektron jõuab kvanttäpile blokeerimata olekus, siis täidab elektron kõige madalama täitmata energia taseme. See tõstab uuesti kvanttäpi energia barjääri ja uued elektronid ei mahu enam läbi tunnelleeruma. Elektron tunneleerub läbi järgmise barjääri, mille järel see elektron hajub mitteelastselt ja ühtsustab neelu ja elektroodi fermi tasemed. Kvanttäpi energia tasemed on ühtlaselt jaotunud Δ E {\displaystyle \Delta E} võrra. Saare omamahtuvus C {\displaystyle C} on seetõttu defineeritud kui C = e 2 Δ E . {\displaystyle C={\tfrac {e^{2}}{\Delta E}}.} Kolm järgmist tingimust peavad olema täidetud, et tekiks kuloniline barjäär: Tööpinge peab olema väiksem kui elementaarlaeng jagatud saare omamahtuvusega: U < e C {\displaystyle U<{\tfrac {e}{C}}} Lätte ja saare termiline energia k B T , {\displaystyle k_{\rm {B}}T,} peab olema väiksem laadimisenergiast, : k B T ≪ e 2 2 C , {\displaystyle k_{\rm {B}}T\ll {\tfrac {e^{2}}{2C}},} Vastasel juhul elektron pääseb kvanttäppi soojuslikul ergastumisel. Tunneltakistus, R t , {\displaystyle R_{\rm {t}},} peab olema suurem kui h e 2 , {\displaystyle {\tfrac {h}{e^{2}}},} mis tuleneb Heisenbergi määramatusprintsiibist. Δ E Δ t = ( e 2 2 C ) ( R T C ) > h , {\displaystyle \Delta E\Delta t=\left({\tfrac {e^{2}}{2C}}\right)(R_{\rm {T}}C)>h,} kus ( R T C ) {\displaystyle (R_{\rm {T}}C)} vastab tunnelleerumisajale τ {\displaystyle \tau } . Aeg ( τ {\displaystyle \tau } ), mille jooksul elektron tunnelleerub läbi barjääri, on tühiselt väike võrreldes teiste aegadega. See eeldus peab paika energiabarjääride puhul, mida kasutatakse praktilistel eesmärkidel uuritavates ühe elektroni transistorides, kus τ ≈ 10 − 15 s . {\displaystyle \tau \approx 10^{-15}{\text{s}}.} Kui kõigi süsteemi tunnelleerumisbarjääride takistus on suurem kui kvanttakistus R t = h e 2 = 25 , 813   k Ω , {\displaystyle R_{\rm {t}}={\tfrac {h}{e^{2}}}=25,813~{\text{k}}\Omega ,} siis on elektronid piiratud saarele ja koherentsed kvantprotsessid, mille käigus võivad juhtuda samaaegsed tunnelleerumised ehk ko-tunnelleerumised, on minimaalsed. Kvanttäppi ümbritseva dielektriku laengut tähistatakse sümboliga q 0 {\displaystyle q_{0}} . n S {\displaystyle n_{\rm {S}}} ja n D {\displaystyle n_{\rm {D}}} tähistavad kui palju elektrone tunneleerub vastavalt läbi lätte (S) ja neelu (D) barjääride. Elektronide koguarv on n {\displaystyle n} . Laeng barjäärides avaldub järgnevalt. q S = C S U S {\displaystyle q_{\rm {S}}=C_{\rm {S}}U_{\rm {S}}} q D = C D U D {\displaystyle q_{\rm {D}}=C_{\rm {D}}U_{\rm {D}}} q = q D − q S + q 0 = − n e + q 0 , {\displaystyle q=q_{\rm {D}}-q_{\rm {S}}+q_{0}=-ne+q_{0},} kus C S {\displaystyle C_{\rm {S}}} ja C D {\displaystyle C_{\rm {D}}} on barjääride lekkemahtuvused. Kui tööpinge on U b i a s = U S + U D , {\displaystyle U_{\rm {bias}}=U_{\rm {S}}+U_{\rm {D}},} siis saab leida pinge barjääridel järgmise võrrandi abil: U S = C D U b i a s + n e − q 0 C S + C D , {\displaystyle U_{\rm {S}}={\frac {C_{\rm {D}}U_{\rm {bias}}+ne-q_{0}}{C_{\rm {S}}+C_{\rm {D}}}},} U D = C S U b i a s − n e + q 0 C S + C D . {\displaystyle U_{\rm {D}}={\frac {C_{\rm {S}}U_{\rm {bias}}-ne+q_{0}}{C_{\rm {S}}+C_{\rm {D}}}}.} Ühendatud barjääride elektrostaatiline energia avaldub järgmiselt: E C = q S 2 2 C S + q D 2 2 C D = C S C D U b i a s 2 + ( n e − q 0 ) 2 2 ( C S + C D ) . {\displaystyle E_{C}={\frac {q_{\rm {S}}^{2}}{2C_{\rm {S}}}}+{\frac {q_{\rm {D}}^{2}}{2C_{\rm {D}}}}={\frac {C_{\rm {S}}C_{\rm {D}}U_{\rm {bias}}^{2}+(ne-q_{0})^{2}}{2(C_{\rm {S}}+C_{\rm {D}})}}.} Kahest barjäärist läbi mineva elektroni tehtud töö avaldub nii: A S = n S e U b i a s C D C S + C D , {\displaystyle A_{\rm {S}}={\frac {n_{\rm {S}}eU_{\rm {bias}}C_{\rm {D}}}{C_{\rm {S}}+C_{\rm {D}}}},} W D = n D e V b i a s C S C S + C D . {\displaystyle W_{\rm {D}}={\frac {n_{\rm {D}}eV_{\rm {bias}}C_{\rm {S}}}{C_{\rm {S}}+C_{\rm {D}}}}.} Vabaenergia standard definitsioon üks vorm on selline: F = E k o g u − A , {\displaystyle F=E_{\rm {kogu}}-A,} kus E k o g u = E C = Δ E F + E N {\displaystyle E_{\rm {kogu}}=E_{C}=\Delta E_{F}+E_{N}} . Sellest leiame üheelektroni-transistori vabaenergia: F ( n , n S , n D ) = E C − A = 1 C S + C D ( 1 2 C S C D U b i a s 2 + ( n e − q 0 ) 2 + e U b i a s C S n D + C D n S ) . {\displaystyle F(n,n_{\rm {S}},n_{\rm {D}})=E_{C}-A={\frac {1}{C_{\rm {S}}+C_{\rm {D}}}}\left({\frac {1}{2}}C_{\rm {S}}C_{\rm {D}}U_{\rm {bias}}^{2}+(ne-q_{0})^{2}+eU_{\rm {bias}}C_{\rm {S}}n_{\rm {D}}+C_{\rm {D}}n_{\rm {S}}\right).} Järgmisena on vajalik teada vabaenergia muutusi. Δ F S ± = F ( n ± 1 , n S ± 1 , n D ) − F ( n , n S , n D ) = e C S + C D ( e 2 ± ( U b i a s C D + n e − q 0 ) ) , {\displaystyle \Delta F_{\rm {S}}^{\pm }=F(n\pm 1,n_{\rm {S}}\pm 1,n_{\rm {D}})-F(n,n_{\rm {S}},n_{\rm {D}})={\frac {e}{C_{\rm {S}}+C_{\rm {D}}}}\left({\frac {e}{2}}\pm (U_{\rm {bias}}C_{\rm {D}}+ne-q_{0})\right),} Δ F D ± = F ( n ± 1 , n S , n D ± 1 ) − F ( n , n S , n D ) = e C S + C D ( e 2 ± ( U b i a s C S + n e − q 0 ) ) , {\displaystyle \Delta F_{\rm {D}}^{\pm }=F(n\pm 1,n_{\rm {S}},n_{\rm {D}}\pm 1)-F(n,n_{\rm {S}},n_{\rm {D}})={\frac {e}{C_{\rm {S}}+C_{\rm {D}}}}\left({\frac {e}{2}}\pm (U_{\rm {bias}}C_{\rm {S}}+ne-q_{0})\right),} Tunneleerumise tõenäosus on nullist suurem kui vabaenergia muutus on negatiivne. Selles võrrandis on vabaenergia muutus Δ F {\displaystyle \Delta F} positiivne seni kuni pinge U b i a s {\displaystyle U_{\rm {bias}}} ei ületa teatud väärtust. Pinge sõltub süsteemi kõige väiksemast mahtuvusest. Üldiselt laadimata kvanttäpis ( n = 0 {\displaystyle n=0} ja q 0 = 0 {\displaystyle q_{0}=0} ) ja sümmeetriliste üleminekutega süsteemis ( C S = C D = C {\displaystyle C_{\rm {S}}=C_{\rm {D}}=C} ) on selle pinge väärtus järgmine U t h = | U b i a s | ≥ e 2 C , {\displaystyle U_{\rm {th}}=\left|U_{\rm {bias}}\right|\geq {\frac {e}{2C}},} Madala paisupinge puhul on neelus elektrivool null. Kui pinge tõuseb üle piirväärtuse, siis barjäärid hakkavad käituma sarnaselt takistitele ja elektrivool tõusma lineaarselt. Juhtudel kui energiabarjääride läbitavused on teineteisest väga erinevad ( R T 1 ≫ R T 2 = R T ) {\displaystyle (R_{T1}\gg R_{T2}=R_{T})} esineb sammhaaval tunneleerumine. Elektron liigub läbi esimese barjääri saarele ja jääb sinna pidama, kuna teise barjääri takistus on suurem. Teatud aja jooksul liigub elektron läbi ka teisest barjäärist, aga sellega samal ajal liigub läbi esimese barjääri uus elektron saarele. Sellises olukorras on saar pidevalt täidetud elektroniga. Vastupidises olukorras, kui esimese barjääri takistus on suurem ( R T 1 ≪ R T 2 = R T ) , {\displaystyle (R_{T1}\ll R_{T2}=R_{T}),} on saar enamuse ajast elektronidest tühi ja laeng väheneb sammhaaval.Neelu ja lätte voolu sõltuvus allikapingest graafikud on astmelised. Ühe elektroni transistori elektriskeemi võib seega vaadata kui kahte barjääri jadamisi ühenduses kvanttäpiga. Süsteemiga on ühendatud ka paisuelektrood mahtuvusega C G {\displaystyle C_{\rm {G}}} . Paisuelektrood võib muuta dielektriku tausta laengut, kuna see polariseerib saart nii, et saare laeng avaldub järgmiselt: q = − n e + q 0 + C G ( U G − U 2 ) . {\displaystyle q=-ne+q_{0}+C_{\rm {G}}(U_{\rm {G}}-U_{2}).} Asendades siia väärtused eelnevatest võrranditest, saame uued üleminekute pinge väärtused. U S = ( C D + C G ) U b i a s − C G V G + n e − q 0 C S + C D , {\displaystyle U_{\rm {S}}={\frac {(C_{\rm {D}}+C_{\rm {G}})U_{\rm {bias}}-C_{\rm {G}}V_{\rm {G}}+ne-q_{0}}{C_{\rm {S}}+C_{\rm {D}}}},} U D = C S U b i a s + C G U G − n e + q 0 C S + C D , {\displaystyle U_{\rm {D}}={\frac {C_{\rm {S}}U_{\rm {bias}}+C_{\rm {G}}U_{\rm {G}}-ne+q_{0}}{C_{\rm {S}}+C_{\rm {D}}}},} Elektrostaatilise energia puhul on kaasa arvatud ka paisu kondensaatoris talletatud energia. Paisu pinge poolt tehtud töö on arvestatud vabaenergias nii: Δ F S ± = e C S + C D ( e 2 ± U b i a s ( C D + C G ) − U G C G + n e + q 0 ) , {\displaystyle \Delta F_{\rm {S}}^{\pm }={\frac {e}{C_{\rm {S}}+C_{\rm {D}}}}\left({\frac {e}{2}}\pm U_{\rm {bias}}(C_{\rm {D}}+C_{\rm {G}})-U_{\rm {G}}C_{\rm {G}}+ne+q_{0}\right),} Δ F D ± = e C S + C D ( e 2 ± U b i a s C S + U G C G − n e + q 0 ) . {\displaystyle \Delta F_{\rm {D}}^{\pm }={\frac {e}{C_{\rm {S}}+C_{\rm {D}}}}\left({\frac {e}{2}}\pm U_{\rm {bias}}C_{\rm {S}}+U_{\rm {G}}C_{\rm {G}}-ne+q_{0}\right).} Kui suurendada paisuelektroodi pinget ja kui lätte pinge on väiksem kulonilise barjääri pingest ( U b i a s < e C S + C D {\displaystyle U_{\rm {bias}}<{\tfrac {e}{C_{\rm {S}}+C_{\rm {D}}}}} ), siis neelu väljundelektrivool võngub perioodiga e C S + C D {\displaystyle {\tfrac {e}{C_{\rm {S}}+C_{\rm {D}}}}} . Ühe elektroni transistore on proovitud teha mitmetest erinevatest materjalidest. Peamiseks elektroonikas kasutamise piirajaks on temperatuurivahemik, milles saab tekkida ja töötada kuloniline barjäär. Enamus metallil põhinevatest üheelektroni-transistoridest toimivad ainult väga madalatel temperatuuridel. Elektrostaatiline laadimisenergia peab olema suurem kui lätte termiline energia k B T {\displaystyle k_{\rm {B}}T} , et ära hoida termilised kõikumised ja elektronide liikumine neelu alale soojusliku ergastuse tõttu. Sellest tuleneb, et saare mahtuvus on pöördvõrdeline temperatuuriga ja peab olema väiksem kui 1 aF ( a F = 10 − 18 F {\displaystyle aF=10^{-18}F} ), et seade oleks toimiv toatemperatuuril. Saare mahtuvus on sõltuvuses kvanttäpi suurusest. Toatemperatuuril toimivate seadmete puhul on eelistatud kvanttäpid, mille diameeter on väiksem kui 10 nm. Kuna nii väikeste mõõtmete puhul on probleeme reprodutseeritavusega, siis on raske toota tööstuslikes kogustes kiipe, mis peaksid sisaldama miljoneid üheelektroni-transistore. MOSFET Mahapatra, S.; Vaish, V.; Wasshuber, C.; Banerjee, K.; Ionescu, A.M. (2004). "Analytical Modeling of Single Electron Transistor for Hybrid CMOS-SET Analog IC Design". IEEE Transactions on Electron Devices. 51 (11): 1772–1782. Bibcode:2004ITED...51.1772M. DOI:10.1109/TED.2004.837369. ISSN 0018-9383. Averin, D. V.; Likharev, K. K. (1. veebruar 1986). "Coulomb blockade of single-electron tunnelling, and coherent oscillations in small tunnel junctions". Journal of Low Temperature Physics (inglise). 62 (3–4): 345–373. Bibcode:1986JLTP...62..345A. DOI:10.1007/BF00683469. ISSN 0022-2291. Kastner, M. A. (1. juuli 1992). "The single-electron transistor". Rev. Mod. Phys. 64 (3): 849–858. Bibcode:1992RvMP...64..849K. DOI:10.1103/RevModPhys.64.849. Gubin, S. P.; Gulayev, Yu V.; Khomutov, G. B.; Kislov, V. V.; Kolesov, V. V.; Soldatov, E. S.; Sulaimankulov, K. S.; Trifonov, A. S. (2002). "Molecular clusters as building blocks for nanoelectronics: the first demonstration of a cluster single-electron tunnelling transistor at room temperature". Nanotechnology. 13 (2): 185–194. Bibcode:2002Nanot..13..185G. DOI:10.1088/0957-4484/13/2/311.. Uchida, Ken; Matsuzawa, Kazuya; Koga, Junji; Ohba, Ryuji; Takagi, Shin-ichi; Toriumi, Akira (2000). "Analytical Single-Electron Transistor (SET) Model for Design and Analysis of Realistic SET Circuits". Japanese Journal of Applied Physics. 39 (Part 1, No. 4B): 2321–2324. Bibcode:2000JaJAP..39.2321U. DOI:10.1143/JJAP.39.2321. ISSN 0021-4922. Poole, Charles P. Jr.; Owens, Frank J. (2003). Introduction to Nanotechnology. John Wiley & Sons Inc. ISBN 0-471-07935-9. Mall:Cite thesis Gupta, M. (2016). "A Study of Single Electron Transistor (SET)". International Journal of Science and Research. 5 (1): 474–479. DOI:10.21275/v5i1.NOV152704. ISSN 2319-7064. J. B. Cui, M. Burghard, and K. Kern (2002). Room Temperature Single Electron Transistor by Local Chemical Modification of Carbon Nanotubes. Nano Letters. Lk 118.{{raamatuviide}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link)