6.2.2. Металлический одноэлектронный транзистор
Одноэлектронными называются приборы, в которых контролируется перемещением одного электрона или малого их количества. Принцип действия одноэлектронного транзистора основан на явлении кулоновской блокады.
Кулоновская блокада – это отсутствие тока через туннельный переход при наличии внешнего напряжения, если туннелированию электронов препятствует их кулоновское взаимодействие.
Рассмотрим туннельный переход «металл (M1)-диэлектрик (D)-металл (M2)». Систему можно рассматривать как конденсатор емкостью C, сначала не заряженный. Если перенести электрон e- с пластины M1 на M2, то конденсатор зарядится. Перенос заряда требует энергии ∆E, которая равна
.
В одноэлектронных структурах используются два туннельных перехода, чтобы ослабить шунтирующее действие подводящих проводов.
На рис. 6.2, а показан конденсатор емкостью C с двумя туннельными переходами. Металлическая гранула (остров) 1 помещена в диэлектрическую среду между двумя металлическими пластинами 2.
На рис. 6.2, б приведена схема наблюдения кулоновской блокады. Металлические пластины «Ис» и «Ст» называются «исток» и «сток»; «О» - металлический остров; заштрихованы туннельные барьеры (диэлектрик). На рис. 6.3, а, б, в приведены энергетические диаграммы, поясняющие эффект кулоновской блокады. В состоянии равновесия, U=0, уровни Ферми истока, острова и стока (EFИС, EF0, EFСТ соответственно) находятся на одной высоте; тока в структуре нет. Символами EF0+, EF0- обозначены уровни Ферми острова при удалении с него электрона и добавлении электрона соответственно;
(рис. 6.3, а).
Рис. 6.2. Структура, включающая два электрода и расположенный между ними в диэлектрической среде наноостровок в отсутствие (а) и при наличии (б) разности потенциалов между электродами
Рис. 6.3, б иллюстрирует случай, когда между истоком и стоком приложено напряжение U1, которое не может вызвать туннелирования, и ток в цепи равен нулю. Электроны начинают туннелировать с истока на остров, а затем с острова на сток при некотором критическом значении напряжения Uk (рис. 6.3, в). В цепи появляется ток J, ток растет при дальнейшем увеличении U.
Вольт-амперная характеристика структуры показана на рис. 6.4, а. Подаваемое напряжение измеряется единицами милливольт, одноэлектронный туннельный ток составляет десятки наноампер.
Когда напряжение U соответствует рис. 6.3, в, электроны туннелируют и проходят через остров по одному. Пока на острове есть один добавочный электрон, другой не может туда проникнуть из-за кулоновского отталкивания. Если при увеличении U между EFИС и EFСТ окажется несколько зарядовых состояний острова, то возможны мультиэлектронные переходы. Но если один из барьеров будет значительно более толстым, то электроны снова будут проходить через остров по одному.
Рис. 6.3. Энергетические диаграммы, поясняющие принцип работы элемента на основе эффекта кулоновской блокады
Рис. 6.4. Вольт-амперные характеристики элемента, работающего на основе эффекта кулоновской блокады
Когда один из барьеров значительно толще другого, вольт-амперная характеристика структуры имеет вид, показанный на рис. 6.4, б, и называется «кулоновской лестницей».
Металлический одноэлектронный транзистор работает на эффекте кулоновской блокады. Как и в обычном транзисторе, имеется три электрода: исток («Ис»), сток («Ст») и затвор («3») – рис. 6.5. Между истоком и стоком приложено небольшое напряжение U. Напряжение между истоком и затвором равно U3, на затвор подается «+».
Рис. 6.5. Принципиальная схема транзистора, работающего на эффекте кулоновской блокады
На рис. 6.6 приведены энергетические диаграммы, поясняющие работу транзистора. Обозначения такие же, как на рис. 6.3. Цифры над уровнями Ферми острова (-1, 1, 2,...) означают число электронов, перешедших на остров с истока. При этом заряд острова составляет -e, -2e, -3e …, соответственно; (-1)означает, что электрон удален с острова. Заряд острова в таком случае равен +e.
Поле положительно заряженного затвора смещает уровни острова вниз (уменьшает энергию электронов острова). Если напряжение U3=0, то хотя EFИС < EFСТ (рис. 6.6, а), кулоновская блокада подавляет туннелирование электронов с истока и поэтому J=0. При U3=UЗК (рис. 6.6, б) кулоновская блокада прорвана, электроны туннелируют с истока на остров, а затем на сток - в цепи появляется ток J. При дальнейшем увеличении напряжения U3 и смещении уровня (1) вниз снова возникает блокада (рис. 6.6, в), ток отсутствует, но на острове находится один добавочный электрон. При U3=UЗ2 ток возникает снова.
Рис. 6.6. Энергетические диаграммы, поясняющие работу транзистора, схема которого представлена на рис. 6.5
По мере увеличения U3 блокада периодически наступает и прорывается, но с каждым разом увеличивается на единицу число электронов на острове. Эти электроны находятся на острове стабильно, а туннелирующие электроны проходят через остров по одному. Возникающие скачки тока называются осцилляциями кулоновской блокады. Напряжение U3 имеет порядок единиц милливольт, ток составляет десятки пикоампер. Таким образом, транзистор может находиться в состояниях «включено» и «выключено» в зависимости от напряжения на затворе. Поэтому одноэлектронный транзистор может использоваться как переключатель.
Теоретически время туннелирования равно ~10-15 с, этим определяется верхний предел быстродействия прибора (ТГц). Так как одноэлектронный транзистор может находиться в двух состояниях, то на его основе могут быть созданы ячейки памяти с малыми размерами, высоким быстродействием и низким энергопотреблением (теоретически ~10-8 Вт для одного элемента). В ЗУ на основе одноэлектронного транзистора носителем бита информации является один электрон, для сравнения: в современных устройствах переход «0» - «1» требует не менее 105 электронов.