Опубликован: 16.01.2014 | Уровень: для всех | Доступ: платный
Лекция 4:

Одноэлектроника – одна из новых концепций построения НЭБИ

< Лекция 3 || Лекция 4: 12345 || Лекция 5 >

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 10^{-8} А, рабочее напряжение U_P – порядка десятков-сотен милливольт.

На рис. 4.2.д в координатах (U,U_3) 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 (–е), а также когда (5) на островке недостает одного электрона и суммарный электрический заряд наноостровка равен (+е).

Если на затвор закрытого ОЭТ подавать короткие импульсы напряжения открывания U_{3O}, 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


U_O=\frac{C_{OC}U+C_{31}U_{31}+C_{32}U_{32}}{C_{\textit{ИО}}+C_{OC}+C_{31}+C_{32}}.
( 4.3)
Потенциал островка U_O существенно зависит от трех напряжений: U, U_{31} и U_{32}.

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

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 E_1 и E_2 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 U=U_3=U_0=0. В этом случае уровни Ферми E_{\textit{ФИ}}=E_{\textit{ФС}}, а соответствующий им энергетический уровень в квантовом наноостровке расположен посредине между разрешенными энергетическими уровнями E_1 и E_2. Электрический ток сквозь транзистор не течет.

Обозначим


\Delta=(E_1-E_2)/2
( 4.4)

Когда потенциалы U > 0 и U_3 > 0 и в соответствии с формулой (4.1) потенциал U_O > 0, то уровень Ферми в области стока снижается на величину eU, а энергетические уровни в квантовом наноостровке – на величину eU_O. Энергетическая диаграмма на рис. 4.4.б относится к случаю, когда eU_O<\Delta. В этом случае на наноостровке нет разрешенного энергетического уровня, соответствующего уровню Ферми E_{\textit{ФИ}}. Поэтому туннельные переходы сквозь двойной туннельный барьер практически не происходят, и электрический ток стока близок к нулю. Транзистор закрыт.

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

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 eU_O=\Delta. В этом случае на наноостровке имеется разрешенный энергетический уровень, соответствующий уровню Ферми E_{\textit{ФИ}}. Поэтому становятся возможными резонансные туннельные переходы сквозь двойной туннельный барьер, и появляется электрический ток стока, пропорциональный напряжению U. 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.

< Лекция 3 || Лекция 4: 12345 || Лекция 5 >
Ольга Клюева
Ольга Клюева

Некорректно сформулированные задания. Нужна помощь в выполнении

Несибели Спандияр
Несибели Спандияр
Казахстан, Алматы, КазНАУ
Юлия Яцуненко
Юлия Яцуненко
Россия, г. Махачкала