Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Реферат. Одноэлектроника.docx
Скачиваний:
132
Добавлен:
01.07.2019
Размер:
344.87 Кб
Скачать

Содержание

Введение

  1. Одноэлектроника и молекулярная электроника. Общие понятия.......

  2. История появления одноэлектроники…………………………………

  3. Базовая теория кулоновской блокады. Теория одноэлектронного туннелирования………………………………………………………….

  4. Кулоновская лестница………………………………………………......

  5. Основы технологии одноэлектроники………………………………....

  6. Одноэлектронные приборы. Одноэлектронный транзистор…………

Заключение…………………………………………………………………..

Список использованной литературы……………………………………....

4

6

10

17

20

23

28

29

Введение

В начале 80-х годов работы профессора МГУ К.К.Лихарева заложили основу нового перспективного направления твердотельной электроники, так называемой "одноэлектроники". В основе одноэлектроники лежит квантование электрического заряда. В простейшем случае связанные с этим фактом явления (так называемая "кулоновская блокада") можно наблюдать при исследовании прохождения тока через такую систему: микроскопический проводящий островок, отделенный от двух контактных проводов тонкими диэлектрическими барьерами. Действительно, подобная конструкция имеет емкость C, и чтобы "посадить" на островок один электрон, необходимо приложить напряжение, равное e/2C. Если емкость достаточно мала (1 фемтофарад, к примеру), то напряжение будет заметным (порядка сотни микровольт).

В отличие от обычных "многоэлектронных" устройств, в "одноэлектронных" устройствах "работает" небольшое число электронов. Выгода таких устройств очевидна - они имеют очень малые размеры и потребляют мало энергии.

1 Одноэлектроника и молекулярная электроника.

Общие понятия

Одноэлектроника — это раздел наноэлектроники, изучающий условия и приборные структуры, в которых перенос тока осуществляется одним электроном, или, точнее, определяется движением одного электрона. Первоначально приставка “одно” была использована, чтобы подчеркнуть различие со случаем сверхпроводимости, когда электроны туннелируют парами; позже, когда стало возможным контролировать перемещение одного электрона, термин наполнился современным смыслом.

Молекулярная электроника – направление микроэлектроники, в котором элементами электрических схем являются отдельные молекулы или молекулярные комплексы. Особенностями молекулярной электроники является локализация электронов на молекулах, они более не “размазаны” по решетке. Электронный транспорт осуществляется посредством туннельного эффекта. Молекулярную и одно- электронику можно рассматривать как предельную степень миниатюризации электроники.

Одноэлектроника — это одна из тех областей, где ожидается прорыв в электронике будущего. Её родоначальником является профессор К. Лихарев из Московского государственного университета, который сейчас работает в Нью-Йорке, но, тем не менее, свои основные работы он сделал где-то 15 лет назад в Советском Союзе. Здесь, на рисунке 1, показана вся идеология одноэлектронного элемента.

Рисунок 1 - Оценка основных параметров устройств на одноэлектронных туннельных переходах

Если мы имеем очень малого размера туннельный переход, или речь идёт об островке, то из-за малой величины такой структуры можно получить разницу энергий электронов в одном и другом состоянии, т. е. по разные стороны перехода, превышающую kT и при температуре порядка комнатной детектировать отдельные электроны и оперировать с ними. Существует также требование, налагаемое соотношением неопределенностей, ведущее к ограничению по величине квантового сопротивления. Такого рода структуры сулят колоссальный выигрыш, в перспективе, по энергопотреблению и по степени интеграции.

2 История появления одноэлектроники

С приближением к пределам миниатюризации классических микроэлектронных приборов усилился интерес к приборам, могущим обеспечить дальнейший прогресс электроники. Одним из возможных путей такого прогресса является создание приборов, в которых контролируется перемещение определенного количества электронов, в частности, одного электрона. Создание так называемых одноэлектронных приборов открывает заманчивые перспективы цифровой одноэлектроники, в которой бит информации будет представлен одним электроном. В таких приборах перемещение электрона происходит посредством туннелирования. Так как времена туннелирования электрона достаточно малы, то теоретический предел быстродействия одноэлектронных приборов очень высок. С другой стороны, работа, необходимая для перемещения одного электрона, также мала, следовательно, энергопотребление одноэлектронных схем должно быть чрезвычайно небольшим. Так, по оценкам основоположника одноэлектроники К. К. Лихарева теоретический предел быстродействия одноэлектронного прибора составляет сотни ТГц (терагерц), а энергопотребление одного прибора - 3x10-8 Вт.

Явление одноэлектронного туннелирования впервые было предсказано в 1986 г. К.К. Лихаревым. Через несколько лет после первой статьи Лихарева начало появляться множество работ, в которых описывалось экспериментальное наблюдение эффектов, предсказанных Лихаревым. Таким образом, теория блестяще подтвердилась экспериментально.

С 1990 г. группа Е.С.Солдатова (лаборатория криоэлектроники физического факультета МГУ) предпринимала попытки заставить работать в одноэлектронном режиме одиночные молекулы. Работа выполнялась в содружестве с лабораторией химии полиядерных и кластерных соединений ИОНХ РАН, руководимой проф. С.П.Губиным. Исследовались туннельные структуры наоснове металлорганических соединений, привлекших внимание тем, что при размере от 1 до 4-5нм молекулы этих соединений фактически представляет собой готовый "элементарный блок" туннельной системы, позволяющий строить большие массивы идентичных переходов. В группе Е.С.Солдатова (собственно как и в некоторых других группах за рубежом) в течение последних лет неоднократно наблюдался эффект одноэлектронного коррелированного туннелирования при комнатной температуре. Однако, при этом туннельные системы формировались либо из неупорядоченных наногранул металла, либо из хаотически разбросанных слабо закрепленных молекул, что приводило к невоспроизводимости характеристик и к неустранимой неопределенности в трактовке результатов. Проблема закрепления молекул на подложке для получения воспроизводимых результатов оказалась чрезвычайно актуальной. У многоопытных сотрудников Е.С.Солдатова родилась идея фиксации подходящей молекулы на подложке в инертной стабильной упорядоченной матрице, которая и была успешно реализована в содружестве с сотрудниками кафедры биофизики под руководством Г.Б.Хомутова (физический факультет МГУ). Для создания матрицы использовался метод Ленгмюра-Блоджетт, позволяющий формировать регулярные мономолекулярные слои как из одинаковых амфифильных молекул, так и из смеси разных молекул. Совместными усилиями удалось изготовить двухпереходную туннельную систему игла СТМ (Сканирующий туннельный микроскоп, измеряет рельеф проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением) - металлоорганический кластер - подложка с расположенным рядом (примерно 100нм) изолированным металлическим электродом управления и продемонстрировать транзисторный эффект при комнатной температуре. Основа системы - устойчивый карборановый кластер 1,7-(CH_3)_2-1,2- C_2_B_10_H_9Tl_(OCOCF_3)_2 с размером приблизительно 2нм. СТМ изображение поверхности образца оказалось хорошо воспроизводимо, подтверждая факт жесткого закрепления кластера на подложке в матрице стеариновой кислоты. Туннельный транспорт электронов изучался при размещении иглы СТМ над кластером. При этом образуется двухпереходная туннельная система игла СТМ - кластер - подложка. В эксперименте измерялись серии ВАХ для этой системы, а также контрольные ВАХ над ровными (без кластеров) участками поверхности. Были зарегистрированы ВАХ в виде "кулоновской лестницы", типичные для сильно несимметричных одноэлектронных транзисторов. Там же была зафиксирована зависимость проводимости системы от туннельного (питающего) напряжения Uт. Эквидистантность ступеней по оси Uт доказывает равенство разницы зарядов среднего электрода транзистора на любых соседних ступенях (один заряд электрона). Для построения интегральных схем на основе эффекта коррелированного туннелирования необходимо научиться управлять туннельным током такой двухпереходной структуры с помощью независимого сигнала. С этой целью кластер на подложке располагается вблизи от изолированного от подложки электрода, полевым образом индуцировавшего на кластере заряд. Методами электронной нанолитографии формировался электрод в виде системы тонких узких полосок шириной около 400нм и с таким же расстоянием между ними. На полученной структуре измерялась серия сигнальных характеристик (зависимостей туннельного тока Iт при фиксированном Uт от напряжения Ug на управляющем электроде. Все измерения проводились при комнатной температуре. При монотонном изменении Ug наблюдается четко выраженный периодический процесс с величиной периода 0,7 - 0,05В. На контрольных сигнальных характеристиках, снятых на участках без кластеров, не наблюдается какого-либо влияния управляющего напряжения на туннельный ток. Электрометрическая чувствительность системы приблизительно 7х10^(-4)е/Гц, что на пять порядков лучше традиционных электрометров. Фактически в этом эксперименте была впервые реализована транзисторная (трехэлектродная) одноэлектронная структура на базе одиночной молекулы - молекулярный одноэлектронный транзистор и измерены его характеристики при комнатной температуре. Параметры переходов в измеренной схеме были рассчитаны, используя измеренные значения величины кулоновской блокады, высоты ступенек и периода сигнальной характеристики, и оказались в хорошем согласии с существующей теорией.

Полученные результаты позволяют говорить о том, что построение молекулярных электронных схем, устройств на основе одноэлектроники - это вполне достижимая реальность. Авторы получили патентный приоритет на разработанные молекулярные туннельные одноэлектронные приборы и способы их создания.