Chapter04_341602366

Chapter04_341602366 - (SET) 1 2 1 12(a) 12(b) 3 12 4 2 2080

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1 1 第四章 单电子晶体管 (SET) 2 第一节 库伦阻塞 设有一个纳米尺寸的金属粒子或半导 体粒子(统称为库仑小岛),因存在电 子亲和势,对电子来讲,构成一个零维 的电子势阱(量子点)。 设其一侧存在一很薄的介质层,另一 侧为稍厚的介质层,此结构构成非对称、 双垒的单势阱一维的电子能态结构。
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2 3 此时如在左侧加负电压(使电子能量提 高),电子就有可能注入到量子点的势阱 内,如图 12(a) 。当一个电子进入势阱后, 由于库仑排斥,将使相继进来的电子所需 的能量提高,或说导致阱周围的势垒提 高,如图 12(b) 所示。势阱中电子能量是量 子化的能级,首先进入的一个电子占据了 一个最低能级。这种库仑排斥将引起 库仑 阻塞效应 4 12 库仑阻塞示意
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3 5 库仑阻塞效应 库仑阻塞效应是 20 世纪 80 年代介观领域所发现的 极其重要的物理现象之一。当体系的尺度进入到纳米 级,体系是电荷 量子化 的,即充电和放电过程是不 连续的,充入一个电子所需的能量为 e 2 /2C ,体系越 小, C 越小,能量越大。这个能量称为 库仑阻塞能 换言之,库仑阻塞能是前一个电子对后一个电子 的库仑排斥能。这就导致了对一个小体系的充放电过 程,电子不能集体传输,而是一个个单电子的传输。 通常把小体系这种单电子输运行为称 库仑阻塞效应 6 库仑阻塞能用 W C 来表示,也就是当量子点已 有一个电子电荷存在下,另一个电子进入为 对抗库仑阻塞所需作的功。 (22) 其中 C 为库仑岛的电容。 C e CV W C 2 2 1 2 2 = =
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4 7 很显然,要利用单电子库仑阻塞效应, W C 必须大于平均热起伏能 KT 。由 (22) 可以估算出在室温下,要求电容 C aF ~10 -18 F )量级,对应于库仑岛的直径为 小于 10nm C e CV W C 2 2 1 2 2 = = 8 由图 12(b) 可见,利用库仑阻塞效应可构 筑单电子存储器,存入和读出一个电子构 成对 “1” “0” 的存取。而通过一个电极的控 制来实现 “0” 状态的改变,就可构成一 个二值开关。 单电子器件尺寸小,集成密度高是显而 易见的。
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5 9 从理论上说,它的极低开关延时和低功 耗也十分诱人。可以估计,本征延时: 其中 R 为隧道穿透所导致的等效电阻, 可取 RC d = τ Ω = = K e h R 8 . 25 2 10 C aF ,则 而最小开关能量可达到: 这二个参数都大大突破了传统 CMOS 的极 限。所以,利用单电子库仑阻塞效应构成 纳电子开关器件是一个有潜力的方向。 sec 10 6 . 2 14 × d () 2 22 0 61 0 bd d d d e E PI R R J ττ == =≅ ×
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6 11 第二节 SET 的基本结构与原理 (a) SET 结构示意 (b) 等效电路 (c) 岛上电子数与 Vg 关系 13 栅控( Vg )单隧道结少量电子器件 V d V s V g V gs V ds (c) R d , C td R s , C
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This note was uploaded on 03/28/2011 for the course EE 40260112 taught by Professor Tianlingren during the Fall '10 term at Tsinghua University.

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