Одноэлектронные транзисторы

На основе явления кулоновской блокады возможно создание целого класса новых приборов — одноэлектронных транзисторов и устройств на их основе. Один из вариантов одноэлектронного транзистора, выполненный на квантовой структуре с двумерным электронным газом имеет вид (сверху) в соответствии с рисунком 6.28.

При отрицательном напряжении на затворах G₁, G₂ и G₄ вблизи них образуется область, обедненная носителями заряда, в результате в центре структуры создается квантовая точка. Эта точка подобна проводящему островку очень малых размеров, который с помощью туннельного эффекта может быть связан с областями истока и стока, представляющими собой большие резервуары носителей заряда. Связь квантовой точки с основным затвором транзисторной структуры G₃ является чисто емкостной — расстояние между ними достаточно велико, чтобы исключить вероятность туннельных переходов.

Рисунок 6.28 – Одноэлектронный транзистор с двумерным электронным газом

Затвор используют для изменения потенциала электронов в центральном электроде с помощью наведенного квазизаряда DQ = C₃V₃. В отличие от заряда, связанного с туннелированием электронов от истока к стоку через квантовую точку, этот заряд может изменяться непрерывно, так как это поляризационный индуцированный заряд.

С помощью концепции квазизаряда можно определить условия переключения одноэлектронного транзистора. Энергия центрального электрода по-прежнему определяется выражением

, (6.10)

где Q – его полный заряд, а

С – электрическая емкость островка: С = С_Л + С_П+ С_З.

Если на центральном электроде находится N дополнительных электронов, то его заряд равен Q = -Nq + DQ = -Nq + C₃V₃, так что полная энергия задается выражением

. (6.11)

Если между истоком и стоком приложено небольшое напряжение смещения, которое обеспечивает режим кулоновской блокады, то ток через структуру течь не может, так как энергия центрального электрода увеличивается с каждым дополнительным электроном: E_Э(N+ 1) > E_Э(N).

Однако, подстраивая напряжение на затворе, можно снять кулоновскую блокаду, получив условие E_Э(N + 1, V₃ +DV₃) = E_Э(N, V₃). В этом случае электрон может туннелировать через структуру и, следовательно, ток через транзистор будет течь от истока к стоку. Другими словами, из этого условия видно, что электроны могут туннелировать в центральный электрод всякий раз, когда напряжение на затворе изменяется на величину DV₃ = q/С₃, т. е. проводимость одноэлектронного транзистора будет осциллировать с увеличением напряжения на затворе с периодом DV₃ в соответствие с рисунком 6.29. Каждый пик проводимости на рисунке соответствует удалению (с ростом отрицательного смещения) очередного электрона из квантовой точки, причем при смещении минус 0,4 В число электронов будет порядка 100.

Рисунок 6.29 – Проводимость одноэлектронного транзистора

В одноэлектронном транзисторе с одним центральным электродом может оказаться существенным явление, которое способно нарушить нормальную работу транзистора. Это явление называют сотуннелированием (co-tunneling) или макроскопическим квантовым туннелированием. Дело в том, что помимо последовательного туннелирования электрона сначала из истока в квантовую точку, а затем из нее в сток существует малая, но конечная вероятность непосредственного переноса заряда из истока в сток. Этот перенос может осуществляться двумя механизмами. В первом из них электрон может пересечь область центрального электрода с помощью туннельного эффекта через виртуальное состояние или посредством резо­нансного туннелирования. При втором механизме один электрон туннелирует в центральный электрод из истока, а второй тут же покидает эту область, переходя на сток. При этом в центральном электроде образуется электронно-дырочная пара. Сотуннелирование, хотя и является эффектом следующего порядка малости в сравнении с единичным актом туннелирования, приводит к конечной проводимости транзистора даже в условиях кулоновской блокады.

Для подавления сотуннелирования используют структуры с двумя и более центральными электродами, отделенными друг от друга туннельно-прозрачными барьерами (MTJ – Multi-Tunnel Junctions). В таких MTJ-транзисторах вероятность мгновенного переноса заряда из истока в сток практически равна нулю.

В настоящее время одноэлектронные транзисторы работают только при низких температурах, хотя в ряде структур одноэлектронные эффекты наблюдались и при комнатной температуре. Для создания приборов, надежно работающих при комнатной температуре, необходимо решать проблемы, связанные с уменьшением размеров квантовых точек и уменьшением емкости затвора. Работы, направленные на оптимизацию структуры одноэлектронных транзисторов, интенсивно проводятся во многих лабораториях мира. Такие транзисторы открывают широкие перспективы одноэлектронной цифровой логики, в которой бит информации может быть представлен только лишь одним электроном.

Кроме того, одноэлектронные транзисторы имеют очень высокое быстродействие – по оценкам, до нескольких сотен терагерц при чрезвычайно малой потребляемой мощности. Тем самым, одноэлектроника представляет собой одну из самых перспективных и быстро развивающихся областей наноэлектроники.

В настоящее время существует большое число действующих конструкций одноэлектронных транзисторов с различным числом квантовых точек. Одна из таких конструкций имеет вид в соответствии с рисунком 6.30.

Этот одноэлектронный транзистор имеет одну квантовую точку, сформированную в инверсном слое n- канального МОП-транзистора с взаимно перпендикулярной системой затворов, один из которых лежит на другом. В областях пересечения затворы отделены друг от друга тонким слоем окисла порядка 50 нм. Нижний затвор, который геометрически протяжен в виде прямоугольной полоски от истока к стоку и имеет ширину в 120 нм, образует обычную МОП-структуру с подзатворным окислом толщиной порядка 10 нм. Он смещен положительно и отвечает за образование инверсного канала. Верхний затвор имеет П-образную форму с шириной полосок порядка 130 нм. Размер щели между полосками, определяющий размер квантовой точки, составляет порядка 100 нм. Этот верхний затвор формирует потенциальные барьеры квантовой структуры и смещен отрицательно. Рабочая температура прибора составляет около 4,2К.

Рисунок 6.30 – Кремниевый одноэлектронный транзистор с двумя
затворами и одной квантовой ямой