Одноэлектроника – одна из новых концепций построения НЭБИ

Первое представление новых концепций

Качественные изменения свойств элементов при переходе к нанометровым размерам, многочисленные новые эффекты, которые наблюдаются в таких элементах, породили и ряд новых концепций построения наноэлектронной элементной базы информатики. Это и принципиально новая концепция квантовых вычислений, и такие новые направления в электронике, как

• молекулярная электроника,
• наноэлектромеханические системы,
• одноэлектроника,
• спинтроника,
• быстрая одноквантовая логика и т.д.

О концепции квантовых вычислений, основанной на особенностях квантовых состояний вещества и способной обеспечить небывалый параллелизм и значительное ускорение многих вычислений, мы расскажем в курсе лекций "Наноэлектронная элементная база информатики. Качественно новые направления". Там же мы расскажем о молекулярной электронике, в которой преобразования информации происходят уже на уровне отдельных молекул или небольших ансамблей из молекул; об основах спинтроники, в которой информация кодируется уже не электрическими зарядами, не уровнями электрического напряжения или тока, а направлением ориентации спинов электронов; о быстрой одноквантовой логике, которая работает с использованием явления сверхпроводимости. В лекции 7 мы объясним принципы действия наноэлектромеханических систем. Основы спинтроники, в которой информация кодируется уже не электрическими зарядами, не уровнями электрического напряжения или тока, а направлением ориентации спинов электронов, будут изложены в лекции 12. О быстрой одноквантовой логике, которая работает с использованием явления сверхпроводимости, вы узнаете детальнее в лекции 14.

В данной лекции мы рассмотрим в качестве примера лишь одну из названных выше новых концепций – одноэлектронику.

Новые подходы, идеи, физические и схемотехнические решения появились также в областях магнитной памяти, сенсорики, визуального воспроизведения информации и т.д. О них мы тоже расскажем в следующих лекциях.

Одноэлектронный транзистор

Описанное в п. 1.4.5 явление одноэлектронного туннелирования используют в работе т.н. "одноэлектронных транзисторов" (ОЭТ, англ. SET – single-electron transistor). Топологическая схема ОЭТ показана на рис. 4.1.а. От топологической схемы двойного туннельного барьера, изображенной на рис. 3.7.а, она отличается тем, что здесь дополнительно сформирован электрод затвора З. Как и в полевых транзисторах, электрод, из которого выходят одиночные электроны, здесь называют "истоком", а электрод, на который они переходят, – "стоком". Избыточный электрон, находящийся на наноостровке, условно обозначен кружочком. Через Д обозначена диэлектрическая среда, которая образует потенциальные барьеры между электродами и наноостровком НО. К стоку приложено положительное напряжение (относительно истока), а к затвору – положительное напряжение . Сначала мы рассмотрим случай, когда наноостровок НО имеет размеры, которые существенно превышают длину волны де Бройля носителей заряда, т.е. когда наноостровок не является квантовой точкой.

Рис. 4.1. а) Топологическая схема одноэлектронного транзистора. б) Его эквивалентная электрическая схема. в) Условное изображение одноэлектронного транзистора в горизонтальном, г) в вертикальном положениях

Эквивалентная электрическая схема ОЭТ показана на рис. 4.1.б. Туннельные барьеры между НО и электродами истока и стока представлены параллельно включенными емкостями (С_ИО и С_ОС) и нелинейными резисторами (R_ИО и R_ОС), а электрическая связь между НО и затвором – емкостью С_З. В грубом приближении, которое позволяет объяснить принцип работы ОЭТ, емкости можно считать постоянными величинами, а нелинейные резисторы предполагать очень большими по номиналу в состоянии кулоновской блокады и относительно небольшими – в состоянии снятой кулоновской блокады.

Анализ эквивалентной схемы показывает, что при отсутствии на наноостровке избыточных электронов (когда НО остается электрически нейтральным) его потенциал

( 4.1)

Поскольку все емкости имеют один и тот же порядок величины, то потенциал островка существенно зависит от обоих напряжений: от напряжения между стоком и истоком и от напряжения между затвором и истоком.

На рис. 4.2 показаны энергетические диаграммы ОЭТ. Вдоль вертикали отложена энергия электронов, вдоль горизонтали – координата. Буквами внизу обозначены: И – исток, С – сток; Д – диэлектрик; O – наноостровок.

Рис. 4.2.

Через , и обозначены энергетические уровни Ферми электронов в областях истока, наноостровка и стока соответственно. Энергетическая диаграмма на рис. 4.2.а соответствует случаю, когда потенциалы . В этом случае энергетические уровни Ферми совпадают: . Электрический ток не протекает.

Когда потенциалы и , то в соответствии с формулой (4.1) также и потенциал . Уровень Ферми в области стока снижается на величину , а в наноостровке – на величину . Энергетическая диаграмма на рис. 4.2.б соответствует случаю, когда (кулоновский потенциал определяется формулой (3.20) из 3, где под емкостью следует понимать суммарную электрическую емкость наноостровка ). В этом случае имеет место кулоновская блокада, и электрический ток стока равен нулю. Транзистор закрыт.

Энергетическая диаграмма на рис. 4.2.в соответствует случаю, когда . В этом случае кулоновская блокада снимается, транзистор открывается. Электрический ток стока в этом случае приблизительно пропорционален напряжению .

На рис. 4.2.г показана вольтамперная характеристика одноэлектронного транзистора в случаях, когда (1) и (2) . Здесь – это потенциал затвора, при котором . Его называют потенциалом открывания транзистора. Используя формулы (3.20) и (4.1) можно найти следующее выражение для потенциала открывания:

( 4.2)