Одноэлектроника – одна из новых концепций построения НЭБИ

Напоминаем, что на рис. 4.2.г речь идет о среднем по времени токе. На самом деле он пульсирует, как было показано в "Качественные изменения свойств при переходе к наноразмерным элементам " на рис. 3.6.е. Величина тока обычно имеет значение порядка А, рабочее напряжение – порядка десятков-сотен милливольт.

На рис. 4.2.д в координатах серым цветом выделены области тех значений обоих напряжений, при которых имеет место кулоновская блокада, и транзистор закрыт. Показан не только случай (3), когда наноостровок является электрически нейтральным, но и случаи, когда (4) на островке имеется избыточный электрон и суммарный электрический заряд островка равен , а также когда (5) на островке недостает одного электрона и суммарный электрический заряд наноостровка равен .

Если на затвор закрытого ОЭТ подавать короткие импульсы напряжения открывания , то можно поштучно пропускать с истока на сток транзистора по одному, по два и т.д. электронов. Именно поэтому такой транзистор и назван "одноэлектронным".

Время переключения ОЭТ из открытого состояния в закрытое и обратно может быть очень коротким (~10^-11 с). На основе таких транзисторов можно строить разнообразные быстродействующие электронные схемы.

Для построения логических схем используют ОЭТ с двумя затворами ( рис. 4.3). Расчет эквивалентной схемы при отсутствии на наноостровке избыточных электронов дает следующее выражение для его потенциала

( 4.3)

Рис. 4.3. а) Топологическая схема ОЭТ с двумя затворами. б) Его эквивалентная электрическая схема. в) Условное изображение такого ОЭТ в горизонтальном, г) в вертикальном положениях

Иногда одноэлектронные транзисторы делают не с одним, а с двумя (или даже больше) последовательно расположенными наноостровками. Это позволяет улучшить некоторые их характеристики и расширить функциональные возможности.

Физические законы, в т.ч. и квантовые, позволяют уменьшить размеры ОЭТ до величины порядка 1 нм и меньше.

Когда наноостровок имеет размеры меньше длины волны де Бройля для электронов проводимости, то он становится "квантовой точкой". Энергия электронов в таком наноостровке квантована.

На рис. 4.4 через и обозначены два разрешенных в этой области энергетических уровня – соответственно наиболее высокий из занятых электронами и наиболее низкий из не занятых.

Энергетическая диаграмма на рис. 4.4.а соответствует случаю, когда потенциалы . В этом случае уровни Ферми , а соответствующий им энергетический уровень в квантовом наноостровке расположен посредине между разрешенными энергетическими уровнями и . Электрический ток сквозь транзистор не течет.

Обозначим

( 4.4)

Когда потенциалы и и в соответствии с формулой (4.1) потенциал , то уровень Ферми в области стока снижается на величину , а энергетические уровни в квантовом наноостровке – на величину . Энергетическая диаграмма на рис. 4.4.б относится к случаю, когда . В этом случае на наноостровке нет разрешенного энергетического уровня, соответствующего уровню Ферми . Поэтому туннельные переходы сквозь двойной туннельный барьер практически не происходят, и электрический ток стока близок к нулю. Транзистор закрыт.

Рис. 4.4. а,б,в) Энергетические диаграммы ОЭТ с квантово-размерным наноостровком. г) Зависимость его тока от потенциала затвора

Энергетическая диаграмма на рис. 4.4.в относится к случаю, когда . В этом случае на наноостровке имеется разрешенный энергетический уровень, соответствующий уровню Ферми . Поэтому становятся возможными резонансные туннельные переходы сквозь двойной туннельный барьер, и появляется электрический ток стока, пропорциональный напряжению . Транзистор открыт.

Зависимость тока стока от потенциала на затворе при постоянном напряжении показана на рис. 4.4.г. Такая зависимость является типичной для резонансного туннелирования, о котором мы рассказали в предыдущих лекциях. Транзистор открывается лишь при определенном напряжении на затворе.