Одиночный тун­нельный переход

Рассмотрим процесс протекания тока через одиночный тун­нельный переход. Так как ток - величина непрерывная, заряд на одной стороне перехода накапливается постепенно. При достиже­нии величины е/2 происходит туннелирование одного электрона через переход и процесс повторяется. Это аналогично падению капель из неплотно закрытого крана: по достижении некоторой критической массы капля отрывается от крана и начинается обра­зование следующей. Заряд одного электрона е накапливается при токе I за время t. е = I*t, затем электрон туннелирует через переход. Нетрудно ви­деть, что процесс повторяется периодически с частотой

f = I/e (7)

где I - ток через переход. Такие осцилляции были названы одно­электронными туннельными осцилляциями.

Еще раз отметим, что наблюдение кулоновской блокады воз­можно лишь при выполнении условий (3) и (5). Эти усло­вия, особенно температурное (3), накладывают жесткие ограничения на конструкции одноэлектронных приборов. Из (2) и (3) можно получить значение емкости, необходимое для наблюдения кулоновской блокады при данной температуре Т: С << е²/(2к₀Т). (8)

Подставив в формулу (8) численные значения е и к, получим, что для наблюдения эффекта при 4.2 К необходима емкость много меньше 10^-16 Ф, а для Т — 77 К и Т= 300 К соответственно много меньше 10^-17 и 10^-18. Таким образом, для работы приборов при высоких температурах (выше 77 К) необходима емкость 10^-18...10^-19 Ф.

На рис. 9.2. показана эквивалентная схе­ма рассмотренной системы. Прямоугольни­ком обозначен туннельный переход. Такое графическое обозначение для кулоновского туннельного перехода общепринятое. Пере­ход характеризуется сопротивлением R и емкостью С, С’ – емкость подводящих кон­тактов.. К переходу приложено напряжение V. Из приведенной схемы видно, что если паразитная емкость С' больше емко­сти перехода, емкость системы будет определяться этой шунтирующей емкостью С'. В реальных приборах не удается получить шунтирующую емкость менее 10^-15 Ф, что как минимум на два порядка больше требуемой для наблюдения одно­электронного туннелирования даже при температурах жидкого гелия.

Таким образом, наблюдение одноэлектронного туннелирования в системе с одним переходом при современном развитии технологии является проблемой.

Два последовательных перехода.

Чтобы избежать влияние паразитных емкостей для хранения заряда одного электрона используют два последовательно включенных конденсатора.

Эквивалентная схема этой конструкции приведена на рис. 9.3.

В этом случае суммарная емкость системы будет , где и . Так как емкости конденсаторов намного меньше паразитных, то они и будут определять и , а значит и .

Выражение для общей электростатической энергии такой системы можно представить в виде

E=Q₁²/2C₁ + Q₂²/2C₂, (9)

где индексы соответствуют номерам переходов. Физически такая конструкция представляет собой малый проводник, отделенный туннельными переходами от контактов, поэтому Q₁ = Q₂ = Q - заряду, находящемуся на проводнике. Тогда (9) мож­но переписать в виде

E = Q²/2C_Σ, (10)

^Л0)

аналогично формуле (1), за исключением того, что вместо емко­сти С фигурирует суммарная емкость двух переходов C_Σ = С₁+С₂, так как С_\ и С2 включены параллельно, если смотреть с проводника. Таким образом, справедливыми остаются формулы (2), (4) и (8) при замене в них С на C_Σ. В формулах (3) и (4) необ­ходимо G заменить на max (G₁, G₂ ).

Date: 2015-05-09; view: 577; Нарушение авторских прав