1.1.4 Аналіз теорії найпростішого одноелектронного приладу

Для приладів, у яких всі електроди зроблені з того самого металу, з розмірами ~ 100 нм (типових для одноелектроніки) велика за рахунок Е_с і має порядок величини 1 меВ чи 10 К (у температурних одиницях). У цьому випадку, незважаючи на те, що термічні флуктуації придушуються одноелектронними ефектами (див. умову (1.14)), одноелектроніка може функціонувати тільки при дуже низьких (гелієвих) температурах Т > 1 К.

З іншого боку, якщо розмір кластера знизити до 10 нм, буде мати порядок 100 меВ, а одноелектронні ефекти - будуть видні при кімнатних температурах. Однак робота цифрових одноелектронних приладів вимагає величин навіть більших, ніж декілька еВ з розмірами приладів менше, ніж 1 нм. У цьому інтервалі розмірів енергія квантування стає порівнянною (чи навіть більше) енергії зарядження Е_с для більшості матеріалів [31]. От тому маленькі острівці-кластери часто називають квантовими крапками. Їхнє використання вимагає залучення не тільки надзвичайно складної нанотехнологии (особливо при великій ступені інтеграції приладів у мікросхемі), але також і рішення деяких фундаментальних проблем фізики, включаючи високу чутливість транспортних властивостей до малих варіацій розмірів і форми квантових крапок. От чому дуже важливий розвиток одноелектронних приладів, здатних до операцій з найбільшими можливими швидкостями (чи найменшими величинами /квТ).

У випадку квантових крапок вираження (1.10) варто замінити на:

(1.15)

Рисунок 1.7 - (а) Швидкість Г електронного тунелювання з дискретного рівня енергії квантової крапки (гранули) у стани безупинного спектра (масивний електрод), відповідно до (1.15), (б) Енергетична діаграма тунельного переходу, що пояснює чому при >> kТ

1.1.5 Можливе застосування приладу

Принцип одноелектронного “ящика” може бути покладений у конструкцію одномірного ланцюжка ( ID array) острівців зв'язаних тунельними переходами (рис. 1.8). Головна відмінність цього приладу в тім, що система має внутрішню пам'ять. На малюнку, для всього діапазону напруги затвора, можливі один чи два зарядових стани крайнього острівця.

Рисунок 1.8 – Одноелектронне захоплення.: (а) Схема, (б) Електростатична енергія надлишкового електрона як функція його місця розташування на одному з острівців (при трьох різні значення напруги затвора), (с) Статична діаграма приладу при Т → 0.

Інше застосування одноелектронної шухляди найпростіший одноелектронний осцилятор - на рис.1.9. Струм, протекающий крізь конструкцію осцилює з частотою:

за умови R_s>>R>> R_Q

Рисунок 1.9 - Найпростіший одноелектронний осцилятор

1.2 Одноелектронний транзистор

1.2.1 Експериментальні приклади

При гелієвих температурах у [3] уперше безпосередньо спостерігалося коррельованне туннелирование окремих електронів у системі з двох переходів, утворених одиничною металевою гранулою субмікронних розмірів, супроводжуване блокадою тунелювання, що виникає через електростатичні ефекти. При цьому кожна сходинка сходів відповідає зміні заряду гранули на ±е, а величина періоду по напрузі дорівнює , де С₁ -ємність переходу з найменшою провідністю, С₁<<C₂.

Для підвищення робочої температури одноелектронного приладу, наприклад до Т = 300 K необхідно зменшити ширину переходу до декількох нанометрів, зменшивши тим самим ємність до 10^-18Ф. Це реалізовано на обладнаннях з використанням скануючого тунельного мікроскопу. Його голка, мала провідна частка (карборановая кластерна молекула [8, 9] чи невеликий кластер атомів золота [14]) і підкладка, являють собою одноелектронний ланцюг із двох послідовних тунельних переходів. У [8] вперше отриманий працюючий при кімнатній температурі молекулярний одноелектронний транзистор (ОЕТ) з металевим затвором.

У роботі [14] конструкція з двох тунельних переходів (вона зображена на рис.1.10) являла собою золоту плівку (111) з нанесеним діелектриком товщини ~ 10 , на яку укладалися кластери золота з діаметром ~ 10 – 30 . Вольфрамова голка тунельного мікроскопа покривалася також плівкою золота товщиною ~ 10³ . Тому можна вважати, що як би всі три електроди виготовлені з Аu. Залежність I(V), обчислена для експериментальних значень конструкції з підгінними параметрами Ci,Ri і Qo, непогано відтворює обмірювану залежність I(V).

Рисунок 1.10 - Експериментальна ВАХ [14], а також підгінні параметри теорії (суцільна лінія). Крапки - експеримент.

У роботах [11] повідомляється про розроблену двовимірну чисельну модель, на основі якої детально розраховується електростатичний потенційний профіль між електродами. Як вихідні параметри використовуються технологічні і електрофізичні параметри ОЕТ і не використовуються підгінні параметри, як у програмі MOSES [32]. На основі моделі успішно описана експериментальна ВАХ ОЕТ на основі Ti/TiО_х/Ti -тунельних переходів при Т = 103 К [26].

Експериментальні результати якісно співпадають з теорією одноелектронного транзистора Ліхарева з сотр. [17]. Неясною залишається роль дискретності електронного спектра на гранулі і визначення електричної ємності в квантовому випадку.

Проблема ємності тунельних контактів активно досліджується [21-23].

Вимога високого опору контактів (близько 100 кОм) в ОЕТ унеможливлює його використання у швидкодіючих логічних схемах. Це зв'язано з тим, що при обліку ємності провідників, що підводять, час переключення виявляється занадто великим. З іншого боку, внутрішній час переключення ОЕТ, обумовлений малою внутрішньою ємністю контактів, може досягати 1 пс. У статті [10] докладно розглянута робота логічних схем на основі одноелектронного параметрона. Базовим осередком таких схем є система трьох кластерів. Електрон може туннелювати між ними, викликаючи поляризацію осередку. З цих осередків може бути побудований ланцюжок з ємнісним зв'язком, що виконує логічні операції з великою швидкодією. Підкреслюється, що обчислення є майже оборотними, так що енергетичні витрати на 1 біт складають величину менше термодинамічної межі kТ 1n2. Іншим перспективним застосуванням ОЕТ можуть бути нейросіті, метою яких є обробка найскладнішої інформації, наприклад, по розпізнаванню образів. Швидкодія для нейронних мереж не настільки актуально, але зате можна досягти значної щільності упакування.