单电子晶体管

•定义电化学势μd(N) 为 将第N个电子加到点上所 需要的能量。在外加偏压 下，点的电势有两种情形 。情形如图2(b)时， μd(N) < μ2<μ1<μd（ N+1），此时，不能再加 第N+ 1 个电子到点中， 电子输运被禁止，称为库 仑阻塞。如果改变电压， 则达到第二种情形，如图 2(c) ,即μ1>μd（N+1） >μ2 。此时，电子可以 从左边库进入到点中，然 后再出来到右边库。
•1988年MIT的Scott Thoms在0.2K温度下测量极窄的n 沟硅MOS晶体管的沟道电导随栅压变化时偶然发现现 象。1989年的IBM的Meirav等人根据SET原理，采用分 子束外延工艺，利用GaAs/AIGaAs异质结，研制成功 SET，在4K温度下观察到SET特性。2001年日本科学家 研制成功SET，在SET该中使用的硅和二氧化铁材料的 结构尺寸都达到10nm左右的尺度。近几年来,SET已成 为纳米电子器件研究的热点。我国中科院物理所王太 宏教授领导的凝聚态物理中心于1996年研制成功波导 型单电子晶体管，它是由一维波导及线条栅等组成的 SET，其工作温度高、性能稳定和适用集成。1999年 又研制成功可工作在90K以上的高温点接触平面栅型 单电子晶体管，于2001年9月在美国召开的国际纳米 器件研讨会上发表，得到了国外同行专家的好评。
五、单电子晶体管的应用及展望
• 由于SET具有高频、高速、功耗小、集成度高和适用作多 值逻辑等特性，所以SET可广泛用于高速高密度IC、超高 灵敏度静电计、单光子器件、高灵敏度红外辐射探测器 、超高速微功耗特大规模量子功能器件、电路和系统、 量子功能计算机等。如日本电信电话公司于1999年12月 研制成功采用多个单电子晶体管的电子计算机逻辑电路 ，最初的电路是一个加法器。2001年4月又研制成功基于 硅衬底可高密度集成化的单电子晶体管和单电子元件。 如果把各种技术相结合,有望不久将实现高密度集成化单 电子逻辑电路。但是，目前大多数单电子晶体管和IC的 工作温度都较低，通常在液氮温度（77K）。目前，人们 正在探索室温工作的SET及其IC。
存在问题
单电子器件虽然有很多优点，但是也存在不少问题。 主要体现在以下两个方面。 1) 在理论上，对单电子器件中载流子的行为还不能十 分精确地了解。单电子器件是一种人造量子系统，因 此需要对自洽与非自洽人造量子系统进行研究。虽然 代数动力学是一个较好的工具，但也只能解少数具有 动力学代数结构的部分。另外，单电子器件中的粒子 既不同于宏观的无限多粒子体系,也不同于单分子、原 子体系。它是一种介观体系，研究纯宏观与纯微观的 理论和方法均需要加以修正。对于制备ULSI 来说，载 流子波动的相互干涉对计算机的运行稳定性问题均需 要研究。
图 2 窄通道结构的势能图
பைடு நூலகம்
在上面的讨论中，电荷通过比自己能量高的 势垒的隧穿是由粒子的波粒二象性决定的， 通过解薛定谔方程，可得出隧穿几率随势垒 高度变化而变化的定量公式。因此，人为调 节栅压和两极电压，就可以控制电荷的通过 或者截止，且能控制每次流过电荷的个数。 这就是单电子器件的工作原理。
三、单电子晶体管特征
•2)在实际制备与操作上，首先，从对双结晶体管的 分析可以知道，岛屿的库仑势为e2/2C，为了使器件 能抵抗热扰动，需e2/2C> kT。因此，为了在室温下 工作，就需要C 很小，这对加工要求很高。其次,为 了提高加工精度，已经从光学光刻发展到X射线、电 子束、离子束刻蚀等方法。而要达到e2/2C>kT，这些 方法都有困难。另外，不仅要能够制备单个器件，还 要能在短时间内制备大量的器件，这是制备超大规模 集成电路所必须的。再者，单电子器件对介电质中的 电荷很敏感，如何消除介电质中的电荷以及减少器件 对电荷的敏感，对工艺提出了更高的要求。最后是如 何使加工单电子器件与现有的工艺设备结合起来。
通常的晶体管在工作时电子数目每次 在106个以上时才能动作，而单电子晶 体管工作时每次动作只需一个电子，在 其源极和漏极之间的电子是一个一个通 过的，每个电子的传输都是可以由外加 栅压控制的。做一个生动的比喻，可以 说单电子晶体管与传统晶体管的差别就 像微型注射器与流量很大的水龙头之间 的差别。注射器的水流量可以一滴一滴 地精确控制，而水龙头却难以做到这一 点。较传统晶体管而言，单电子晶体管 可更大规模地集成，其体积可以缩小到 1%，所需电力也能够减少到十万分之一 以上
单电子晶体管
李广立
13091055 20131003
目录
一、单电子晶体管定义及结构
二、单电子晶体管工作原理 三、单电子晶体管特征
四、单电子晶体管发展概况 五、单电子晶体管的应用及展望
一、定义及结构
定义：单电子晶体管是 基于库仑阻塞效应和单 电子隧道效应的基本物 理原理的一种新型纳米 电子器件。 结构：一般它由以下5部 分组成，（1）库仑岛或 量子点；（2）隧道势垒； （3）势垒区；（4）栅 氧化层；（5）源、漏、 极。如右图1所示。
图 2 窄通道结构的势能图
如图中箭头所示形成电 流，这称为单电荷隧穿。 如果不断增加栅压Vg,则 单电荷隧穿状态和库仑 阻塞状态交替出现，称 为库仑振荡( Coulomb oscillat ion) 。如果 将两极电压变化而栅压 不变，随着V 的增加，I 将以台阶式增加，每一 个台阶对应增加一个电 子输运，台阶之间的间 隔为△V = e/C，称为库 仑台阶 ( Coulombstaircase) 。
图 3 单电子晶体管与通常晶体管对比图
四、单电子晶体管发展概况
1968 年，Zeller 和Giaever 研究了Al-Al2O3-Al 结 构的导电特性。结果显示，当电压较低时，电流较小 ，而电压超过某一临界电压Vs 时，电导趋向于饱和 。Vs 强烈地依赖于Sn颗粒的大小。据此，他们指出 ，在低温时，对于单隧道结，只有当V>e/2C 时才有 电流，并将这一电压值称为库仑抑制势。1969 年， Lambe 和Jaklevic 的实验表明，金属颗粒中的平均 电荷数随附加电压的增加而增加。Shekhter据此分析 预言，此种结构中，I -V 曲线将随电压的变化作周 期性的振荡。此预言后来被实验所证实。这个结论激 发起人们的灵感，人们开始设想，可以通过周期性地 改变中间金属颗粒的电压来控制单个电子的通过与截 断。单电子晶体管的概念就这样产生。
图 1
SET的基本结构形式
二、工作原理
•单电子晶体管的工作原 理是基于库仑阻塞 (Coulomb blockade)和 隧穿效应(Tunneling effect ) 。现在从半经 典理论分析一个双势垒 的单电子器件。在中心 颗粒(又称为岛屿或点) 和两电极之间分别有绝 缘势垒。点中约有N个电 子，在两端不加电压时 ，平衡的势能图如图 2(a) 所示。 图 2 窄通道结构的势能图
•由于传统的集成电路已经快达到其物理极限,如果 想使集成电路进一步发展，就必须寻求新的方法和 器件。单电子器件作为一种从传统器件到量子器件 的过渡产品，是符合实际情况的途径，也许从某种 意义上说它是一种终极器件。随着理论研究的深入 和加工手段的提高，单电子器件有可能是十几年后 计算机的核心部件。另外，单电子器件还可以应用 于量子测量、高灵敏红外辐射探测器等领域。