6 Одноэлектронные приборы. 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”. Если создать несколько областей с взаимной емкостной связью, то возможно перемещение через эти области дискретных электронов. В этом случае можно реализовать логические функции.

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 длиной плеча 50-80 нм. Кремниевые области проводимости сделаны так, что сужения кремниевых проводников образуют туннельные барьеры.

Такое конструктивное решение стало возможным благодаря использованию эффекта самопроизвольного формирования сужения кремниевого проводника в процессе окисления. Этот эффект основан на двух противоположных механизмах окисления: снижение степени окисления в связи с ростом внутренних напряжений и рост степени окисления вблизи края проводника. Образная конструкция позволяет снизить степень окисления в плечах из-за наличия внутренних напряжений. Одновременно можно увеличить степень окисления в точке соединения областей, где из-за относительно большой площади снижается внутреннее напряжение.

Тонкие поликремниевые затворы над каждым плечом образного соединения были сформированы с помощью электронно-лучевой литографии и процесса их легирования фосфором. Точность перекрытия в 20 нм позволяет использовать их для управления электростатическим потенциалом областей проводимости каждого плеча.

После изготовления тонких затворов был сформирован промежуточный изолирующий слой оксида кремния и верхний поликремниевый затвор. И наконец, используя верхний затвор как маску, формировались выводы истока и стока путем имплантации ионов фосфора. Фотография общего вида Т-образного транзистора, сделанная с помощью электронного микроскопа, приведена на рисунке 12.

Рисунок 12 - Общий вид Т-образного соединения, сделанный с помощью электронного микроскопа

Сложную транзисторную структуру можно разложить на отдельные части и для удобства расчета составить ряд эквивалентных схем.

Устройство состоит из двух одноэлектронных транзисторов, связанных между собой через туннельный конденсатор. Область в плече Т, не имеет над собой затвора, и ее электростатический потенциал управляется верхним затвором (рисунок 13).

Потенциал кремниевой области в плече управляется верхним и нижним затворами. Это возможно из-за неполной экранировки области проводимости каждой из областей. Верхний электрод играет роль общего затвора, управляющего всеми кремниевыми областями проводимости.

Рисунок 13 - (а) Структурная схема и (б) эквивалентная схема устройства для двух областей проводимости

Управление напряжением нижнего затвора позволяет получать различные конфигурации транзисторных структур (рисунок 14). Кремниевые области и затворные электроды на рисунке показаны условно. Если включен канал, то получаются два параллельно включенных одноэлектродных транзистора (рисунок 14 справа).

Если считывать напряжение в плече, то формируется аналог инвертора КМОN-типа (рисунок 14 в центре). Если канал выключен, то формируется схема из двух последовательно включенных транзисторов, работающих в одноэлектронном устройстве передачи. Эта схема также называется одноэлектронным насосом (рисунок 14 слева).

Рисунок 14 - Различные конфигурации для устройства с двумя областями проводимости

Устройство может быть использовано для коммутации тока между двумя кремниевыми областями. Если подать напряжение, то зависимость тока через устройство с двумя областями проводимости от напряжения на верхнем затворе при температуре 30К (нижние затворы не используются). будет иметь вид, представленный на рисунке 15. На врезке показана работа коммутатора тока при подаче на затвор последовательности импульсов напряжения с амплитудой 100 мВ (от 0 до 0,1 В) и периодом 100 мс.

Рисунок 15 - Вольтамперная характеристика одноэлектронного насоса

На ВАХ видны колебания, связанные с эффектом кулоновской блокады. Различные периоды колебаний связаны с размерами областей. Противофазность колебаний позволяет осуществить коммутацию тока между плечами Т-образного соединения. Отметим, что переключение токов с соотношением 1:20 реализовано в области 200×300 нм.

На основе Т-образных транзисторных структур может быть реализован ряд уникальных схем. Одноэлектронный коммутатор или одноэлектронный насос представлен на рисунке 16(а). Гармонический сигнал управления с частотой f подается на затворы и позволяет прокачивать одиночные электроны, дает ток, равный произведению частоты на заряд электрона. На рисунке 16(б) представлен направленный коммутатор для одноэлектронного перемещения, использующий три кремниевых области проводимости.

Рисунок 16 - а) Одноэлектронный коммутатор, б) Направленный коммутатор для одноэлектронного перемещения

В этом устройстве соединены два одноэлектронных насоса. Каждый одиночный электрон может перемещаться по одному из двух путей – плат Т-образного соединения. Выбор конкретного пути перемещения определяется входным управляющим сигналом. Такие устройства позволяют осуществить построение логических структур с использованием отдельных электронов. Эти одноэлектронные структуры могут иметь сверхвысокую степень интеграции и сверхмалое потребление мощности при минимальных габаритах.

Заключение

Всем хорошо известно стремление производителей микропроцессоров к минитюаризации элементов интегральных микросхем. Это позволяет увеличить, во-первых, скорость передачи сигнала, во-вторых, уменьшить потребление мощности, что влияет на ошибки при вычислениях. Но, постоянно уменьшать размеры транзисторов без изменения физических законов управляющими токами в системе не возможно не столкнуться с новой физикой описывающей процессы в мезоскопических или квантовых системах, где длина свободного пробега или соответственно длина волны электрона сравнима с характерными размерами прибора. На сегодняшний день, можно сказать, что квантовые системы привлекают к себе пристальное внимание исследователей. Эта область науки интенсивно развивается в последнее время, что связано, прежде всего, с развитием технологии, в частности электронной литографии.

Одноэлектронные приборы работают при очень низких температурах. Однако существуют эксперименты, в которых наблюдалась кулоновская блокада при комнатных температурах. Достигнуто это было, прежде всего, с применением сканирующего туннельного микроскопа.

Одноэлектронные приборы, то есть приборы, при помощи которых можно управлять отдельными электронами в будущем найдут широкое применение.

Список использованной литературы

1. Лихарев К.К. «Одноэлектроника в мире науки», г. Москва, 2011г.

2. Солдатов Е.С., Ханин В.В., Трифонов А.С., Губин С.П., Колесов В.В., Преснов Д.Е., Яковенко С.А., Хомутов Г.Б. «Одноэлектронный транзистор на основе одиночной кластерной молекулы при комнатной температуре», г. Москва, 2013г.

3. Аверин Д.В., Лизарев К.К. «Когерентные колебания в туннельных переходах малых размеров», г. Москва, 2011г.

4. Драгунов В.П. «Основы наноэлектроники», г. Москва, 2012г.

5. Ястребов Л.И., Кацнельсон А.А., «Основы одноэлектронной теории твердого тела», г. Москва, 2012г.