Содержание
Введение
История открытия одноэлектронного транзистора
Кулоновская блокада
Конструкция и принцип работы одноэлектронного транзистора
Вольт-амперные характеристики одноэлектронных транзисторов
Наноэлектромеханический одноэлектронный транзистор с «механической рукой»
Прототип одноэлектронного транзистора на основе графена
Заключение
Литература
Введение
На современном этапе развития технологических методов электроники явилась возможность создавать структуры с наноразмерными областями. На электронный транспорт в таких структурах существенное влияние может оказать эффект одноэлектронного туннелирования. В настоящее время интенсивно проводятся экспериментальные исследования одноэлектронных структур и одним из наиболее перспективных является одноэлектронный транзистор. Наряду с экспериментальными исследованиями эффекта одноэлектронного туннелирования возникает необходимость в моделях, которые позволили бы адекватно описать физические процессы, протекающие в структурах, а также в анализе характеристик приборов в зависимости от конструктивно-технологических и электрофизических параметров. Такое исследование позволяет определить необходимые размеры, подобрать подходящие материалы на этапе разработки одноэлектронных приборов, спрогнозировать их выходные характеристики.
История открытия одноэлектронного транзистора
Одноэлектронный транзистор (англ. single electron transistor сокр., SET) - трехэлектродный туннельный прибор, на эффекте кулоновской блокады, состоящий из проводящего островка с малой собственной емкостью, соединенного с истоковым и стоковым электродами туннельными переходами с малой емкостью и проводимостью, и имеющего емкостную связь с электродом затвора.
В России проблема построения одноэлектронного туннельного транзистора исследовалась с 1985 г. на физическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова К.К. Лихаревым, который теоретически рассчитал, а потом экспериментально обнаружил эффект одноэлектронного туннелирования. Вместе с Л.С. Кузьминым они построили туннельный одноэлектронный транзистор, работающий при сверхнизких температурах (одновременно это же сделали американцы). Сверхнизкими называют температуры вблизи нуля по шкале Кельвина (-273°С), они неприемлемы при массовом производстве каких бы то ни было устройств. Гораздо больший интерес представляли бы транзисторы, функционирующие при комнатной температуре (около 20°С). Для этого требуется уменьшить размеры их функциональных элементов до нескольких нанометров.
Еще в 1987 г. Лихарев предложил использовать отдельные молекулы в качестве активных элементов в одноэлектронных системах (их размер как раз составляет около 1 нм), но тогда эта идея казалась утопической. Уверенности, что это возможно, ученым придавал тот факт, что молекулярные одноэлектронные туннельные системы, функционирующие при комнатной температуре, давно существуют в природе и используются живыми организмами в процессе получения энергии.
С 1990 г. коллектив Е.С. Солдатова (МГУ) обратил внимание на возможность применения искусственных кластеров (синтезированных молекул с заранее заданными характеристиками) в качестве функциональных элементов транзистора. Однако препятствием стала необходимость создания стабильных упорядоченных структур и сложность манипулирования такими малыми объектами, как молекулярные кластеры. Параллельно ученые Англии, Японии и США искали решение этой проблемы альтернативными путями. Но именно в группе Г.Б. Хомутова впервые были созданы упорядоченные стабильные планарные ансамбли нанокластеров, внедренных в мономолекулярные пленки. В 1996 г. российские ученые из МГУ и РАН С.П. Губин, В.В. Колесов, Е.С. Солдатов, А.С. Трифонов, В.В. Ханин, Г.Б. Хомутов, С.А. Яковенко впервые в мире создали одноэлектронный молекулярный нанокластерный транзистор, работающий при комнатной температуре (см. рис. 1.).
Рис. 1. Одноэлектронный молекулярный нанокластерный транзистор
Применение СТМ позволяло определять положение нанокластеров в мономолекулярной пленке с точностью до 1 нм, а затем измерить их рабочие характеристики. Пленка создает высокоупорядоченную планарную наноструктуру для механической стабилизации кластеров в фиксированной пространственной конфигурации. При этом ее толщина не превышает диаметра кластера, что обеспечивает компактность всего ансамбля.