庫侖堵塞與單電子器件(編輯修改稿)
2025-01-19 05:14 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 放電而言，是下降到額定值的 %所需的時間 ① 為了增大 等效電阻 R，可加大隧道結(jié)的勢壘厚度， 但這將受到一定的限制 (因仍然要保證能發(fā)生隧道效應(yīng) )。因此，可行的辦法是采用 串聯(lián)的多重隧道結(jié)。 注意 2點： ② 要產(chǎn)生 Coulomb阻塞效應(yīng) , 本質(zhì)上就是把電子束縛于量子島之中 。 這就要求量子島一方面要被較大的電阻分隔開，同時又要能發(fā)生隧道效應(yīng)。因此，只要是滿足這種要求的體系，都可以實現(xiàn) Coulomb阻塞效應(yīng) （不一定非要采用上述的隧道結(jié)不可） 。如可以采用施主能級或 Anderson局域態(tài)來代替體系中的量子島。 （ 3）要使用電流源 但要控制和利用庫侖堵塞效應(yīng)，用 可變電壓源 調(diào)控來實現(xiàn)，即人為改變電壓大小，出現(xiàn)一一對應(yīng)的多個狀態(tài)！因 電流源偏置后始終自發(fā)形成充電放電過程，人為無法改變！ —— 電壓源偏置 , 電子在 隧穿前后的靜電勢能 ： Ec = CV2/2 不會發(fā)生變化，勢壘高度不變，只有一個狀態(tài)。 —— 電流源偏置 ， 電子在隧穿前后的靜電勢能： Ec = q2/2C，勢壘高度變化，出現(xiàn)庫侖堵塞效應(yīng) 。 ——如果 外偏置是電壓源 ，兩邊勢壘高度不變，無法觀察或產(chǎn)生庫侖堵塞， 外電壓一直做功。 ——如果是 小電流源 （ q=??I）偏置，就會出現(xiàn)隧穿 ——堵塞 ——再隧穿 ——在堵塞 … 如此往復(fù)， It振蕩產(chǎn)生： q=I?? ， ω＝1/? =I/q ，同時結(jié)兩端電壓也振蕩。 ∴ 如果是 大電源 （ q=??I）偏置， ?很小， 振蕩間隔太小，因此V = I R + q/2C 變?yōu)椋? V = I R E2（ N） E2（ N+1） E2（ N1） E1（ N） E1（ N1） e （ 4）要避免熱電子發(fā)射效應(yīng) 因為 Coulomb阻塞效應(yīng)是利用電子隧穿通過勢壘的作用來實現(xiàn)的，而越過勢壘的熱電子發(fā)射作用 是一種破壞作用 ，所以要盡量加以避免。因此，納米隧道結(jié)的勢壘高度就必須 kBT, 才不會出現(xiàn)電子的熱發(fā)射效應(yīng)。 （ singleelectron device SED） （ 1）問題的提出 是否存在有控制單個電子的可能性 ? 回答是肯定的。因為電壓 V與電容 C之間的關(guān)系為 V=Q/C , 在電荷 Q=電子電荷 q≈10 19C 時 , 若 C=1018F , 則 V ≈ 。這就是說 , 若采用納米電容即可通過電壓來控制單個電子的運(yùn)動 。 否則： V很大！ 因此，從前面分析可知：采用 “ 單電子島 雙隧道結(jié) ” 結(jié)構(gòu)，能夠采用 電壓來控制單個電子的運(yùn)動 ，實現(xiàn) 單電子器件 ——器件的開關(guān)特性由增減單個電子或電子只能逐個通過。 （ 2）結(jié)構(gòu)圖 12 nm 10 nm 10 nm 工作原理示意圖 等效電路 Cg 刪極絕緣層電容 CJ 隧道結(jié)的電容 RT 隧道結(jié)的電阻 2023年日本的科學(xué)家松本和彥就率先在實驗室里研制成功了單電子晶體管，該晶體管中使用的 Si和 TiO2材料的結(jié)構(gòu)尺寸都達(dá)到了 10nm左右的尺度。 （ 3） SET的 Coulomb阻塞狀態(tài) ① SET的工作 ——改變電壓（ VD與 VG）實現(xiàn)調(diào)控 VD +VS +V V VG VG 結(jié) 1 結(jié) 2 C0 (V1) (V2) (R1,C1) (R2,C2) 結(jié) 1 結(jié) 2 島 VG 島 S D G ID + + VD 若開始量子島中 N=0, 則隨著電壓 ︱ VD︱ 上升 , V2 逐漸增大（ ＞ q/2C,首先 結(jié) 2脫離阻塞而隧穿； V1又增大 （ ＞ q/2C） 然后 結(jié) 1脫離阻塞而隧穿 , 產(chǎn)生隧穿電流 。 量子島的狀態(tài)變化情況分析如圖 。 隧道結(jié)的能量 (或結(jié)電壓 )變化如下圖： V2 V1 V2 V1 隧道結(jié) 1 隧道結(jié) 2 量子島 N=2 N=1 N=0 N= 1 N= 2 q / C q / 2C q / 2C q / 2C q / 2C q?2+ q?1+ Γ 是電子從左到右的隧穿幾率。 電子 e q / C =堵塞寬度 N = 0 → ( 1) → 0 → ( 1) → …… 最后保持為 0。 隧道結(jié)的能量 (或結(jié)電壓 )變化如下圖： V2 V1 V2 V1 隧道結(jié) 1 隧道結(jié) 2 量子島 N=2 N=1 N=0 N= 1 N= 2 q / C q / 2C q / 2C q / 2C q / 2C q?2+ q?1+ 電子 e V2 保持不變，電子輸運(yùn)一直保持 如果 V2繼續(xù)增加，如何變化？ ② .Coulomb臺階的形成 0 VD (V) ID 1012 A 1012 A 8 1013 A 4 1013 A 1 2 3 4 5 VG = 2 V T = 300 K VD VG 1 2 在 VG或 =0不變時 , 通過 VD 來調(diào)節(jié) ID， 出現(xiàn)臺階式變化 , 出現(xiàn)Coulomb臺階。 VD減小，勢壘降低， 1個電子隧穿，形成隧穿電流 ID。 VD繼續(xù)減小，勢壘降低不能使 2個電子隧穿，此時仍只有 1個電子保持流動， ID VD形成臺階 1。當(dāng) VD減小到一定值時，第 2個電子隧穿， ID增大保持到第 3個電子隧穿， ID VD形成臺階 2。 如此循環(huán)， IV特性呈現(xiàn)為臺階狀，臺階的寬度就是Coulomb間隙 (100mV量級。如果宏觀 C很大，臺階消失 )。
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