Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика) (1051247), страница 50
Текст из файла (страница 50)
Впервые описан в работе: Н. Робнегето!, 5!па1е е!ее!гоп ритор Гаъпсагед и!Ф и!Ггипа11 поппа! гвппе! )ппс(!опг, Роудса В 169 (1-4), 573-574 (1991). 246 Гл а ва 3. Пе нос носителей зараза в низкоразмерных структурах... Затвор -"И~.~ ~~~~И-"т Затворы -Й.~~~вийи(г) О Рис.3.31. Однозлектронный турникет (а) и генератор накачки (б); ВЧ-сигналы, приложенные к затворам генератора накачки (в) каждому затвору, смещены по фазе относительно друг друга (рис. 3.31, в), формируя такое изменение потенциала вдоль цепочки островков, которое как бы «подхватывает» электрон из истока и несет его к стоку, по очень похоже на перенос многозлектронных пучков в приборах с зарядовой связью. Заметим, этот прибор не нуждается в использовании постоянного напряжения исток — сток. Направление переноса электронов определяется направлением бегущей волны электрического потенциала.
Технически многоостровковые структуры могут быль реализованы на основе цепочек коллоидных частиц золота с молекулярными связями. Частицы золота формируют островки, а связывающие их органические молекулы слухсат туннельными барьерами. Частицы золота осаждаются на подложку с предварительно изготовленными металлическими (Ап) электродами истока, стока и затвора. Электронный транспорт в такой структуре осуществляется за счет Дд Т наели ание носителей заряда через натенциальные бар ы 247 туннелирования электронов через цепочку коллоидных частиц.
Ра- бочая температура прибора составляет 4,2 К, хотя и при 77 К нели- нейность его вольтамперной характеристики сохраняется. туннеттый Рис. 3.32. Осниллятор на -е осноае однозлектронного туннелироаания (а) и его динамические характеристики (б) лг=е/<$(г)> б 3.2.2.б.
Гзнзраторьгнз одноззгзгпроиньштрзнзмсторзл Однозлектронные транзисторы можно использовать для генерации узкополосных сигналов с частотой, пропорциональной постоянному току,/'= 1/е. Структура простейшего осциллятора для такого генератора показана на рис. 3.32„а. В нем омическое сопротивление Я, должно удовлетворять следующему условию: Я,» Я » Я„где гг, = /г/е' — квант сопротивления. Динамические свойства осциллятора иллюстрирует рис. 3.32, б. Осцилляции заряда возникают, когда приложенное постоянное напряжение )л превышает пороговое значение )г = е/(2С), определяемое кулоновской блокадой, и постепенно сливается с фоном при 1 > О, (е/(ЯС).
Практическая реализация такого прибора является, однако, непростой задачей. Теория однозлектронных колебаний требует, чтобы омическое сопротивление структуры обеспечивало непрерывное протекание необходимого для зарядки островка тока в течение интервалов времени между последовательными актами туннелирования.
Хотя на первый взгляд это предположение противоречиво, оно подтверждается тем, что в макроскопических диф- 24В Г л а а а 3 . Перенос носителей заряда а низкоразмернмх структурах... фузионных проводниках дробовые шумы не проявляются при напряжениях Р') !сл27е, как это происходит при дискретном переносе электронов (например, в туннельных переходах). Теоретическое объяснение непрерывной проводимости основано на размытом (колоколообразном) виде волновых функций электрона в диффузионных проводниках. Для воплощения идеи узкополосного одноэлектронного генератора на практике необходимо, чтобы омический резистор одновременно обеспечивал непрерывную передачу заряда, имел очень высокое сопротивление (около 1 МОм или выше) и очень маленькую паразитную емкость (С «ез/(/сл7)). Следует отметить, что удовлетворить этим требованиям достаточно сложно.
3.2.2.6. Стднтдерты постоянного тока Одноэлектронный прибор со структурой, показанной на рис. 3.32, может быть использован в качестве стандарта постоянного «дока (РС сиггепгетапз!агз!)аз. Принцип его работы основан на стабилизации фазы однозлектронных колебаний внешним ВЧ-источником с характерной частотой у: Стабилизация фазы обеспечивает передачу определенного числа электронов и за один период внешнего ВЧ-сигнала, в результате чего возникает постоянный ток, который связан с частотой соотношением! = «еу: При этом можно использовать одноэлектронный турникет или генератор накачки, которые не дают когерентных колебаний в автономном режиме. Уже в первых экспериментах с (2 + 2)-переходным турникетом было обнаружено, что его относительная точность б!у! может иметь порядок 1О 3 и даже лучше.
Последующие теоретические исследования показали возможность достижения и более высокой точности, если использовать генераторы накачки. Эти приборы позволяют более аккуратно «переносить» один электрон вдоль цепочки. В них также слабее выражены связанные с термической активацией и сотуннелированием паразитные процессы, которые могут привести к дополнительной погрешности из-за случайной передачи еше одного электрона. Кроме того, преимуществом генератора накачки является возможность компенсации случайного фонового заряда каждого островка с помощью специально подобранного постоянного напряжения смешения, приложенного к каждому затвору.
Предложен а работе: КК уз)тйагеч, А.В. Хогт, Тьеоп о( Гпе В!ось-ччаче озсгаайопз )п апта(1 )озерьаоп !ппсиопз, 3. (оп Тепзр. Рйуз. 59(3/4), 347-382 (1985). 3.2 наели анне носителей за лда че з потенциальные барьеры 249 В экспериментальном образце генератора накачки достигнута точность 1,5 1О з при частоте около 10 М Гц, тогда как теория предсказывает точность в диапазоне 1О '2 +10 'ь.
Предположительно отличие этих значений связано с неконтролируемой генерацией дополнительных электронов вследствие воздействия на образец внешнего электромагнитного излучения сверхвысокой частоты. Таким образом, нет никаких сомнений в том, что стандарт постоянного тока с относительной точностью выше 10 'о (вполне достаточной для всех приложений) можно изготовить, используя приборы типа генераторов накачки.
Серьезным прорывом в данной области является существенное увеличение выходного тока одноэлектронных стандартов (на текущий момент — в пикоамперном диапазоне)„что позволит более широко использовать зти приборы в метрологии. Увеличение частоты запуска/'в приборах типа генераторов накачки столкнулось с проблемой быстрого роста частоты ошибок при/' = 1/(ЯС). Один из путей решения этой проблемы состоит в применении генератора с «одной куперовской парой», В этом случае туннелирование является упругим, и поэтому частота запуска может быть значительно больше: она ограничена только шириной энергетического зазора сверхпроводниковых материалов, используемых на частотах несколько десятков гигагерц (1 = е/'составляет несколько наноампер).
К сожалению, практическое воплощение таких устройств сдерживается недостаточным пониманием сопутствующих явлений, влияющих на их работу. 3.2.2.7. Стандарты температур(зы Цепочки туннельно-связанных островков ()у > 1) мох(но использовать в качестве сазаадартее теаазературы (гетрега пете агапе/апЬ)м. При низких температурах их вольтамперные характеристики похожи на характеристики однозлектронных транзисторов с явной кулоновской блокадой туннелирования при низких напряжениях(!»! < К) иасимптотикой )с=ФЖ+солзгпри)зс! > т;. Если температура превышает Е,//ей, где Е, = ез/С, термические флуктуации подавляют кулоновскую блокаду и зависимость Х от )спочти линейна при всех напряжениях: Сз а Ы/лз)си С„а !/()УЯ).
Вследствие кулоновской блокады наблюдается небольшое понижение дифференциальной проводимости вблизи $' = 0 с амплитудой Предложен в работе: Х К Рейо!а, К. Р. Ничч) Х Р. Каирр(неа, ат. А. Раа!анен, тьеппотепу Ьу впвуз о( пеппе! )ипеаопв, Рьуз. Кеч. (аа. 73(2!), 2903-2906 ((994). 250 Гл а в а 3. Пе енес носителей аврала в низкоразыерных структурах... ЛО/О„ч — Е,/(б/сдУ) и шириной пика на полувысоте о)г = 5,44 М Тл. Теоретический анализ показал, что соотношение между Ьб и Тсправедливо в широком диапазоне значений параметров цепочки, за исключением случая существенного изменения сопротивлений туннельных переходов.
Так как входящие в него фундаментальные постоянные определены с высокой точностью, это обеспечивает возможность использования цепочки островков для определения абсолютной температуры. Если изменение температуры не превышает !О градусов, каждая цепочка может дать высокую (-1%) точность. Для цепочек из островков различных размеров (и, следовательно, с разными Е,) области точного определения температуры могут сдвигаться и частично перекрываться. Таким образом„имея несколько цепочек, можно получить стандарт температуры в очень широком диапазоне. 3.2.2.В.
Логнческне элементы Имеются две принципиальные возможности построения логических элементов на однозлектронных транзисторах. Это — унрааанемме надд1нгженнеле логические з демегннм (ро(уаКе луаре 1одгсу)~' и унранваемме зарядо~и логические эле)ненднм (с)галде маге ЬВ)сд) аа. Первыми были предложены логические элементы на одноэлектронных транзисторах, управляемые напряжением. В них подаваемое на затвор напряжение контролирует ток в цепи исток-сток одноэлектронного транзистора, что и используется для построения логических элементов, принцип действия которых такой же, как и у элементов на основе традиционных полевых транзисторов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
