Московский Авиационный Институт (Технический Университет)

Реферат

по электронике на тему «Одноэлектроника и одноэлектронные приборы »

Выполнила: ст. гр. 04-215

Малкова Екатерина Сергеевна

Принял: проф., д.т.н.

Шишкин Геннадий Георгиевич

Москва

- 2009-

Содержание

Содержание 1

Вступление. 2

Теоретические основы одноэлектроники 2

Одноэлектронное туннелирование и эффект кулоновской блокады. 2

Кулоновская лестница. 5

Одноэлектронные приборы 6

Будущее одноэлектронных устройств. 8

Заключение. 11

Список литературы. 12

Содержание

Вступление.

В начале 80-х годов работы профессора МГУ К.К.Лихарева заложили основу нового перспективного направления твердотельной электроники, так называемой "одноэлектроники". В основе одноэлектроники лежит квантование электрического заряда. В простейшем случае связанные с этим фактом явления (так называемая "кулоновская блокада") можно наблюдать при исследовании прохождения тока через такую систему: микроскопический проводящий островок, отделенный от двух контактных проводов тонкими диэлектрическими барьерами. Действительно, подобная конструкция имеет емкость C, и чтобы "посадить" на островок один электрон, необходимо приложить напряжение, равное e/2C. Если емкость достаточно мала (1 фемтофарад, к примеру), то напряжение будет заметным (порядка сотни микровольт).

В отличие от обычных "многоэлектронных" устройств, в "одноэлектронных" устройствах "работает" небольшое число электронов. Выгода таких устройств очевидна - они имеют очень малые размеры и потребляют мало энергии.

Теоретические основы одноэлектроники

Одноэлектронное туннелирование и эффект кулоновской блокады.

Одно из самых перспективных направлений увеличения степени интеграции микросхем основано на развитии приборов, в которых контролируется перемещение буквально одного электрона. В таких устройствах, называемых сейчас одноэлектронными транзисторами, бит информации будет представлен одним электроном. В одноэлектронных транзисторах время перемещения электрона определяется процессами туннелирования и может быть очень малым. Теория одноэлектронного туннелирования была предложена К.К. Лихаревым в 1986 году. В элементарном виде развиваемые представления могут быть рассмотрены следующим образом.

Рассмотрим туннельный переход между двумя металлическими контактами и тонким слоем диэлектрика между ними. По сути дела это плоский конденсатор емкостью С, на обкладках которого находится заряд Q. Энергия, запасенная в таком конденсаторе, равна

(1)

Изменение емкости конденсатора происходит дискретно, и минимальное значение изменения энергии определяется так:

(2)

где е — элементарный заряд электрона. Для наблюдения эффектов необходимо, чтобы минимальное изменение энергии было больше температурных флуктуаций, т. е

(3)

где k– постоянная Больцмана, а Т – температура. Кроме этого, необходимо, чтобы данное изменение превышало энергию квантовых флуктуации, где , — проводимость туннельного перехода, — проводимость, шунтирующая переход.

С другой стороны, необходимо, чтобы

---(4)

Исходя из (4) можно записать, что

(5)

Рис. 1 Зависимость зарядовой энергии перехода от заряда. Стрелками показано добавление (вычитание) одного электрона.

где — квантовое сопротивление. Одно из важнейших предположений теории одноэлектронного туннелирования заключалось в том, что начальный заряд , на туннельном переходе может быть отличен от нуля, и, более того, может принимать значения, не кратные целому числу электронов. Данный факт объясняется тем, что начальный заряд может создаваться поляризацией близлежащих электродов, заряженных примесей и т.д. и, таким образом, иметь любое значение. Тогда заряд Q в уравнении (1) будет иметь вид . Из всего вышесказанного вытекает, что, если Q лежит в пределах от до , добавление или вычитание целого числа электронов будет увеличивать энергию (1), т.е. является энергетически невыгодным. Данный вывод иллюстрируется на рис. 1.

Рис. 2 Стадии процесса одноэлектронного туннелирования и аналог образования капли в трубке

Из него видно, что если заряд хотя бы немного меньше значения , то добавление или вычитание одного электрона приводит к увеличению общей энергии. Если же заряд превышает значение , то выгодным становится туннелирование электрона через диэлектрик. Так как напряжение на конденсаторе , то при напряжениях от до ток через туннельный переход протекать не должен. Говоря иначе, для того чтобы обеспечить туннелирование через переход, необходимо преодолеть силу кулоновского отталкивания электронов. Данный эффект отсутствия тока при приложении напряжения в указанных пределах был назван эффектом кулоновской блокады. Таким образом, кулоновская блокада — это явление отсутствия тока при приложении напряжения к туннельному переходу из-за невозможности туннелирования электронов вследствие их кулоновского отталкивания.

Напряжение, которое необходимо приложить к переходу для преодоления кулоновской блокады (также называемое напряжением отсечки):

-(6)

Процесс протекания тока через одиночный туннельный переход происходит в несколько стадий. Так как ток является величиной непрерывной, то заряд на одной стороне перехода накапливается постепенно. При достижении величины е/2 происходит туннелирование одного электрона через переход и процесс повторяется. Здесь можно провести аналогию с каплей воды, отрывающейся от края трубки, предложенную К. К. Лихаревым: при достижении некоторой критической массы капля отрывается от крана и начинается образование следующей. На рис. 2 представлен процесс одноэлектронного туннелирования в условиях кулоновской блокады.

На первой стадии в начальный момент времени граница между металлом и диэлектриком является электрически нейтральной. Электрический ток является величиной непрерывной. Для его поддержания необходимо на одной стороне туннельного перехода накопить определенный заряд.

На второй стадии к металлическим обкладкам прикладывается электрический потенциал и на границе раздела начинает накапливаться заряд. На параллельной схеме начинает формироваться капля.

В ходе третьей стадии происходит накопление заряда до тех пор, пока его величины не будет достаточно для возникновения туннелирования одного единственного электрона через диэлектрик.

На четвертой стадии после акта туннелирования система возвращается в первоначальное состояние. При сохранении внешнего приложенного напряжения цикл повторяется вновь. Перенос заряда в такой структуре осуществляется порциями, по одному электрону. Частота перехода определяется величиной

(7)

где I – ток через переход. Такие осцилляции были названы одноэлектронными туннельными осцилляциями (Single Electron Tunneling-SET).

Следует отметить, что наблюдение кулоновской блокады возможно лишь при выполнении условий (3) и (5). Данные условия, особенно температурное (3), накладывают довольно жесткие ограничения на конструкции одноэлектронных приборов. Из (2) и (3) можно получить значение емкости, необходимое для наблюдения кулоновской блокады при данной температуре Т

Подставив численные значения е и k, получим, что для наблюдения эффекта

(8)

при необходима емкость , а для и соответственно и . Таким образом, для работы приборов при высоких температурах (выше необходима емкость или (аттофарада)).

Рис. 4 Эквивалентная схема конструкции с двумя переходами

Рис. 3 Эквивалентная схема туннельного перехода

На рис. 3. показана эквивалентная схема рассмотренной системы. Прямоугольником обозначен туннельный переход. Данное графическое обозначение для кулоновского туннельного перехода является общепринятым. Переход характеризуется сопротивлением R и емкостью С, С' – емкость подводящих контактов. К переходу приложено напряжение V. Из приведенной схемы видно, что если паразитная емкость С' больше емкости перехода, емкость системы будет определяться шунтирующей емкостью С'. В реальных приборах не удается получить шунтирующую емкость менее 10^-15 Ф, что как минимум на два порядка больше требуемой для наблюдения одноэлектронного туннелирования даже при температурах жидкого гелия.

Таким образом, наблюдение одноэлектронного туннелирования в системе с одним переходом при сегодняшнем развитии технологии является проблематичным.

Для разрешения данной проблемы была предложена конструкция из двух туннельных переходов, включенных последовательно. Эквивалентная схема этой конструкции представлена на рис. 4.