单电子器件

一 什么是单电子器件（SED ）

二 单电子器件的基本原理 库仑阻塞效应和单电子隧穿

三 单电子晶体管（SET ）及其工作原理（量子旋转门效应）

四 单电子器件的应用

一 引言

对于目前的电子器件来说，器件的最小尺寸要大于电子的德布罗意波长，也就是说我们都是将电子看成是经典的粒子，我们不妨将这种器件称为经典器件。但近些年来，随着微细加工技术的飞快发展和电子电路集成度的提高，都要求电子器件的尺寸越小越好。但是器件尺寸的缩小并不是无限度的，就像CMOS 器件，它由于受固体结构特性的最小尺寸，电流、电压感应击穿，功率耗散，热噪声和海森堡测不准原理等因素的限制, 已经接近物理极限, 要想进一步发展大规模集成电路, 就需要更小的器件。例如其沟道长度如果缩小到小于0.25微米，甚至几十纳米几纳米数量级时，因为量子隧穿，器件就会失效。也就是说随着器件尺寸的缩小就必须要考虑器件的量子效应，所以量子器件成为了人们的研究热点。今天我将给大家介绍一种量子器件--单电子器件。

二 什么是单电子器件？

单电子器件是基于库仑阻塞效应和单电子隧道效应的基本物理原理来控制一个或少数几个电子的位置和移动的一种新型纳米电子器件。（单电子效应：通过改变电压的方法来操纵电子一个一个的运动）

三 单电子器件的基本理论（库伦阻塞效应和单电子隧穿现象）

1.我们先从一个简单的模型来解释库仑阻塞和单电子隧穿现象

库伦阻塞效应最早是在微小隧道结实验中发现的，如图1所示，一个理想的没有旁路电导的金属隧穿结。它实际上就是一个平行板电容器，只不过电极板之间的间距只有十几个Å，结面积也很小所以隧穿结的电容也很小假设只有1×10-16F 的量级。当有电子隧穿过隧道结时会使结两端的电位差发生变化，从而使节的静电能也发生变化，给结附加的充电能C

e 2

，如果此时的静电能远远大于低温下的热运动能量k B T( k B 玻耳兹曼常数0.38066×10-23，T 是绝对温度)。则由这个电子隧穿所引起的电位变化会对下一个电子隧穿产生阻止作用，这就是隧穿过程的库伦阻塞效应。

图 1

隧穿结上充电电荷Q 引入的静电能等于⎰=Q C Q dq C q 022

当电容C 很小时它的贡献就不容忽视。

在电子隧穿前，电容有初始电荷Q o ，对应充电能e

Q o 22

当隧穿N 个电子之后，电容的静电能为C

Ne Q o 2)(2

- 电荷隧穿前后，电容静电能的变化ΔE 等于

)2

(222)(2222o o o o Q Ne C Ne C NeQ C e N C Q C Ne Q E -=-=--=∆ 当2

Ne Q o <

时，ΔE 为正值，表明系统的总能量增加了，因此上述隧穿过程是不允许的，即只要电荷Q 的绝对值小于2

Ne ，隧穿事件为库仑效应所阻塞。而随着Q 增大到大于2

Ne ,就会发生隧穿事件，这从能量角度而言是允许的，库仑阻塞消失。伴随电荷隧穿通过结，结两端电压将发生大小为 Ne/C 的跃变，结上电荷Q 将减小到稍大于2

Ne -的数值。随着时间的演化，上述过程将周而复始地重复，结电压会呈现出如图2所示的振荡.

图 2

纵轴（电压轴）以e/C 为单位，横轴（时间轴）以e/I 为单位，A 、B 、C 、D 、E 、F 为不同的电流偏置点。

四 单电子晶体管（SET ）及其工作原理（量子旋转门效应）

既然电容上的电荷量可以决定是否出现库伦阻塞效应，那我们想可以通过人为的控制这个电荷量来控制电子的行为，那么这个器件就是单电子晶体管。将两个隧穿结串联起来后其中心电极就成为一个孤立的库仑岛。现在紧挨着中心电极附近再设置另一栅电极就形成了如下图4所示的等效电路。这是一个三极管式的电路，由于栅极电压可以完全控制器件的电导，因此这一由栅压控制的双结器件就具有晶体管的作用，称为单电子晶体管，是一种最基本的单电子器件。

图 3 单电子晶体管示意图

根据上面的等效电路，我们来具体研究一下单电子隧穿晶体管的工作原理。利用分离栅技术在如图4(a)所示的异质结样品表面蒸镀上按一定图形配置而成的金属栅电极如图4(b)，这样就形成了一个简单的单电子晶体管。

（c ）

图 4

(a)具有分离栅电极的异质结结构，外加负栅压使栅板下的二维电子气(2DEG)耗尽由金属栅电极1、C 、2、F 构成的半导体量子点（QD 为量子点，QPC 1、QPC 2分别为控制电子进出QD

的量子点接触）（c)单电子晶体管（SET ）

处在异质结界面的电子由于受界面处沿垂直界面方向势阱的束缚， 已经成为准二维电子系统。因为势阱的宽度已经和电子的费米波长可相比拟，电子沿垂直界面方向不再能够自由运动，只能沿平面作二维自由运动，故称二维电子。现在如果在金属栅极上外加负偏压，在低温下可以将栅极覆盖下的二维电子全部耗尽。这样只有在图4(b)中由栅电极1、C 、2、F 所包围的中心部分尚有电子存在，形成了量子点结构而且只要栅电压选择合适，利用电极边缘电场效应可以保证1-C 和2-C 之间的窄缝隙下的电子也被完全耗尽，但是l-F 和2-F 之间的缝隙构成了控制电子进出的隧穿势垒，通常称它们为量子点接触(quantum point contract ，QPC 1和QPC 2 )。 这样就构成了一个可以控制电子隧穿进出的半导体量子点，其能带图如图5所示。它给出了导带底E C 沿横穿量子点截面上的变化【如图4(b)中点划线所示】．μl 和μr 分别表示量子点外左、右电极区内的电化学势，μ(N)则为

当量子点内含有N 个电子时的电化学势。μl -μr =V 表示左、右电极之间的偏置电压。

下面先从简单情况出发来讨论问题。点内总静电势：Ψ=Q/C+Φext 是由两部分组成。其中，Φext 是中心栅极C 给量子点附加的外电势，它随栅压V g 连续变化。Q/C 则为点内电子电荷的自洽电势，电荷Q 只能取电子电荷-e 的整数倍。相应的静电势能等于⎰-Φ-=ψNe

ext Ne C 022(Ne)(Q)dQ ，若用U(N)表示量子点中基态的总

能量，则有 e x t 2

C Ne -2(Ne)(N)E U(N)Φ+=C

(1)