9.6. Одноэлектронный транзистор

Фундаментальным одноэлектронным устройством является одноэлектронный транзистор. Он содержит область проводимости, соединенную с истоковыми и стоковыми электродами – туннельными барьерами, которые имеют емкостную связь с затвором. Изменяя напряжение на затворе, можно моделировать ток через область «исток-сток».

В Кембриджском университете и токийской Japan Science & Technology Corporation разработан одноэлектронный транзистор, функционирующий при комнатной температуре. Его устройство и схема включения показаны на рис. 9.10. Проводящий канал транзистора (остров) отделен от стока и истока туннельными барьерами из тонких слоев изолятора. Чтобы транзистор мог работать при комнатной температуре, размеры острова не должны превышать 10 нм. Высота потенциального барьера равна 0,173 эВ. В более ранней (2001 г.) конструкции тех же разработчиков остров был крупнее, высота потенциального барьера была 0,04 эВ, и рабочая температура не превышала 60 °К. Материалом для острова служит отдельный кластер аморфного кремния, поверхность которого оксидирована при низкой температуре для создания тонкого барьерного слоя.

Одной из перспективных конструкций является Т-образная транзисторная структура, предложенная группой японских исследователей в 90-х годах прошлого столетия (рис. 9.11).

Транзисторы изготавливаются на кремниевой подложке по технологии изоляции имплантированным кислородом (SIMOX, Separation by IMplantation of OXygen). Такая технология позволяет получить тонкий слой кремния, изолированный от кремниевой подложки. С помощью процесса электронно-лучевой литографии возможно получение Т-образного соединения из слоя кремния толщиной 30 нм, шириной плеча 40…50 нм и c длиной плеча 50…80 нм. Кремниевые области проводимости сделаны так, что сужения кремниевых проводников образуют туннельные барьеры.

Тонкие поликремниевые затворы L_g2, L_g3 над плечами Т₂ и Т₃ Т-образного соединения были сформированы с помощью электронно-лучевой литографии и процесса их легирования фосфором, создающим электронный тип проводимости. Точность перекрытия в 20 нм позволяет использовать их для управления электростатическим потенциалом кремниевых областей проводимости Т₁, Т₂ и Т₃ каждого плеча. Область в плече Т₁ не имеет над собой затвора.

После изготовления тонких затворов формируется промежуточный изолирующий слой оксида кремния (SiO₂) и верхний поликремниевый затвор L_g, играющий роль общего затвора, управляющего всеми кремниевыми областями проводимости Т₁, Т₂ и Т₃.

И наконец, с использованием верхнего затвора как маски, формировались выводы истока и стока путем имплантации ионов фосфора.

Сложную транзисторную структуру можно разложить на отдельные части и для удобства расчета составить её эквивалентную схему.

На рис. 9.12, а представлен простой случай устройства с двумя областями проводимости.

Овалами на рис. 9.12, а обозначены области проводимости Т₁ …Т₃, а незаштрихованные части соответствуют сужениям кремниевых проводников (туннельным барьерам). Самая большая область в плече Т₃ служит в данном случае только как вывод из-за слабого эффекта кулоновской блокады при рабочих температурах устройства 30…33 К.

Эквивалентная схема устройства с двумя кремниевыми областями изображена на рис. 9.12, б. Устройство состоит из двух одноэлектронных транзисторов (Т₂) и (Т₁), связанных между собой параллельно через туннельный конденсатор С_с. Области Т₁ и Т₂ подключены к Т-образному устройству через туннельные конденсаторы С_s1и С_s2, представляющие емкости истоков, а область Т₃ – через туннельные конденсаторы С_d1и С_d2, представляющие емкости стоков одноэлектронных транзисторов Т₁ и Т₂.

Поскольку область в плече Т₁ не имеет над собой тонкого затвора, электростатический потенциал области управляется только верхним (общим) затвором.

Потенциал кремниевой области в плече Т₂ управляется как нижним (L_g2), так и верхним (L_g) затворами, на которые подаются управляющие напряжения U_lg2 и U_g. Это происходит из-за того, что нижний тонкий затвор здесь не полностью экранирует область проводимости, и часть электрического поля от верхнего затвора может её достичь.

Описание работы устройства. Область в плече Т₃ и нижний тонкий затвор (L_g3), расположенный над этим плечом, в данном устройстве по сути никакой роли не играют. Однако управление напряжением U_lg3 нижнего затвора (на эквивалентной схеме рис. 9.12, б отсутствует) позволяет включать и выключать канал J₃ и строить различные конфигурации устройств с двумя областями.

Канал J₃ включен. Получается два вида конфигураций (рис. 9.13).

Структура, изображенная на рис. 9.13, а представляет два параллельно включенных одноэлектронных транзистора Т₁ и Т₂. При считывании напряжения в плече Т₃ получается КМОП-инвертор (рис. 9.13, б).

Канал J₃ выключен. В случае, кода канал J₃ выключен (рис. 9.13, в), получается схема из двух последовательно включенных транзисторов, работающая как базовый элемент в одноэлектронном устройстве передачи, так называемом одноэлектронном насосе.

Полученные устройства могут быть использованы для коммутации тока между двумя областями. Приведем примеры некоторых устройств.

Переключатель тока. На рис. 9.14 приведена передаточные характеристики параллельной структуры, изображенной на рис. 9.13,а, где I – один из токов I₁ и I₂, протекающих в выводы Т₁ и Т₂ из вывода Т₃, U_g – управляющее напряжение, приложенное к верхнему затвору с периодом 100 мс. (при этом напряжение U_g2 на нижний затвор L_g2 не подавалось).

Каждый ток в каналах J₁ и J₂ показывает колебания, связанные с эффектом кулоновской блокады, с противофазными периодами вследствие неодинаковых размеров этих двух областей. Использование противофазности двух колебаний делает возможной коммутацию тока между двумя плечами Т-образного соединения. На рис. 9.14, в показано переключение между токами I₁ и I₂, которое происходит в ответ на приложенную на вход U_g последовательность импульсов амплитудой 0,1 В (рис. 9.14, б). Путь тока переключается между двумя плечами, потому что кулоновская блокада против туннелируемого электрона устанавливается в каждой области поочередно в момент перехода уровня входного переключающего напряжения. Следует отметить, что переключение токов с соотношением более 20 реализовано в чрезвычайно маленькой области с размерами 200×300 нм². В этом эксперименте скорость переключения была достаточно низкой, что связано с наличием большой ёмкости в системе измерения, но никак не с параметрами самого устройства.

КМОП - инвертор. Описанное выше переключение может непосредственно применяться в КМОП-инверторе (рис. 9.13, б). В этом случае напряжение питания прикладывается к выводам U₁ и U₂, а выходной сигнал (U₃) считывается с вывода канала J₃. Недостатком описываемого устройства является малый коэффициент передачи (0,3 при температуре 30 К). Для получения единичного коэффициента усиления должно быть подавлено размазывание колебаний вследствие влияния температуры и напряжения сток-исток, для чего емкости истока С_s1 и стока С_d1 (4…8 аФ) должны быть сделаны меньшими, чем емкость затвора С_ug1 (1 аФ) на рис. 9.12, в.

Одноэлектронный насос. Если использовать конфигурацию из последовательно включённых одноэлектронных транзисторов, показанную на рис. 9.13, в и управлять затворами таким образом, чтобы состояние изменялось циклически, то за цикл из одного проводника в другой может быть перемещен один электрон. Величина тока через структуру выражается соотношением I=q·f, где q=1,6·10^-19 Кл – заряд электрона, f – частота переключения напряжения на затворах, с^-1.

Для работы описанных устройств достаточно двух областей проводимости. При изготовлении Т-образного соединения проводников с тремя активными кремниевыми областями с ёмкостной связью может быть создан направленный одноэлектронный коммутатор. В этом устройстве два одноэлектронных насоса соединены таким образом, чтобы отдельный электрон мог быть перемещен по одному из двух путей, то есть в одно из двух плеч ( J₁ или J₃) Т-образного соединения. Такое устройство может применяться в схемах бинарных диаграмм решения с использованием единственного электрона в качестве носителя информации.