1.2.2 Детальний розгляд оет

ОЕТ можна назвати фундаментальним винаходом по використанню зарядових ефектів (кулонівською блокади).

У роботі [27] зроблені три типи ОЕТ, що складається з: істок/острів/стік: Cu/Al/Cu, Al/Cu/Al і А1/А1/А1.

Відповідно до вищевикладеного, необхідно виготовляти ОЕТ, електроди якого виготовлені з двох різних металів. Широко застосовується А1, тому що тонкий діелектричний шар для тунельного бар'єра може бути легко сформований термічним окислюванням А1 (див. рис.1.11). У [27] пробували використовувати Си й Аu, але знайдене з'єднання Аu/А1О_х/А1 не було стійке і тунельний опір, мінялося мимовільно в межах від декількох хвилин до декількох годин.

Рисунок 1.11 - Якісна схема розташування ОЭТ на підкладці.

Виявилося також, що структура Cu/AlО_х/Al ще більш хитлива чим А1/А1О_х/А1 (дрейф параметрів продовжувався більше чим один день). Було вирішено використовувати мідь і зробити Cu/Al/Cu - і А1/Си/А1 - ОЕТи. Для тестових цілей також виготовлялися А1/А1/А1 - ОЕТ.

Для виготовлення всіх структур використовувалися фото - і електронопроменева літографія, плазмене сухе травління і методика кутового напилювання.

Схематичне зображення цієї конструкції дається на рис. 1.12. Один провідник (острівковий електрод) зв'язаний з двома масивними електродами (істок і стік) невеликими тунельними контактами, а електрод затвора ємнісним способом "з'єднаний" з острівковим електродом. Напруга затвора на ОЕТ регулює провідність через обидва контакти, унаслідок того, що воно змінює електростатичний потенціал острівкового електрода. Його еквівалентна схема показана на рис.1.13. Острівковий електрод зв'язаний за допомогою двох тунельних контактів з генератором напруги V, що і забезпечує протікання струму. Острівковий електрод, крім того, ємнісним образом зв'язаний з електродом затвора, завдяки якому подається напруга V_g. Позначимо: ємності двох тунельних контактів, через які тече струм, як С₁ і С₂, а ємність з'єднання затвор - острів, як С_g; відповідні заряди, як Q₁, Q₂ і Q_g; число електронів минаючих через кожне тунельне з'єднання в напрямку стрілок, як N₁ і N₂, відповідно.

Рисунок 1.12 - Зборка ОЕТ. Зовнішні електроди (leads) виготовлялися у виді лежачих на підкладці "олівців". Потім кінчики олівців окислялися для створення ізолюючої плівки. Острівковий електрод (у виді "перемички") переносився й укладався поверх окісного шару на кінцях олівців. Тим самим конструювалися два як би крапкових тунельних контакти.

Рисунок 1.13 - Еквівалентна електрична схема ОЕТ

Використовуючи закон Кірхгофа для двох електричних контурів, ми знаходимо:

, (1.16)

, (1.17)

Острівковий електрод "переносить" заряд:

(1.18)

який змінюється тільки тунелюванням електронів крізь нього. Повна вільна енергія ОЕТ дорівнює:

(1.19)

Тут, перші три доданки - зарядові енергії й інші дві - роботи виконані генераторами напруги, q - загальний заряд, що "переніс" генератор напруги V через ланцюг,

(1.20)

Використовуючи рівняння (15) - (18), ми виключаємо Q₁ ,Q₂ , Q_g, заміняючи їх на N₁, N2, V і V_g у рівнянні (18), і одержуємо:

, (1.21)

де введена ємність:

(1.22)

a const - додатки незалежні від N1 і N2.

Можливість тунелювання залежить від того, чи збільшується крізь тунелювання вільна енергія ОЕТ чи зменшується. Якщо стан системи з меншою вільною енергією існує, то тунелювання можливо. Умова заборони (кулонівською блокадою) тунелювання в контакті 1 полягає в тому, що при цьому вільна енергія збільшиться. Ця умова може бути написана як:

де ми уводимо визначення внутрішнього заряду на гранулі як:

(1.24)

Таким же чином записується умова заборони кулонівською блокадою тунелювання крізь контакт 2:

Кулонівська блокада ефективна, коли обоє нерівності (1.23) і (1.25) виконуються. Рис.1.14 показує кулонівську діаграму блокади ("кулонівський алмаз"). Кулонівська блокада відповідає заштрихованої частини "алмаза" (ромба). Тому при параметрах ОЕТ, що відповідають крапці А на рис.1.14, струм протікати не може. Коли ми збільшуємо напругу затвора V_g, то значення параметрів зміщаються від т. А до т. В, кулонівська блокада

Рисунок 1.14 - Діаграма "кулонівського алмазу" ОЕТ

тунельного з'єднання 2 "проривається" і один електрон туннелює від стоку до гранули (острівковому електроду) (N₂ —► N₂+1 ). Якщо нерівність F(N₁,N₂ + 1) > F(N₁ + 1, N₂ + 1) виконується, тунелювання крізь 1 можливо. У такий спосіб струм протікає при напрузі затвора, що відповідає т. В. Величина заряду на електроді затвора, необхідного для включення струму, може бути менше заряду електрона |е|. Тому структура, зображена на рис.1.13, і називається одноелектронним транзистором (ОЕТ).

Рис. 1.15(а) є "розширенням" рис.1.14 по горизонтальній осі. Змінюючи напругу затвора V_g, провідність змінюється періодично як показане на рис.1.15(с). Це явище називають кулоновськими осцилляціями. В області нульової провідності, число електронів N на острівковому електроді фіксовано. Максимумам провідності (кондактанс) відповідає східчаста зміна N, як показано на рис.1.15(b). Таким чином, східчасте збільшення числа електронів на острові є іншим яскравим прояв кулонівських осцилляції.