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Transistor de un solo electrón

Esquema de un SET básico y sus componentes eléctricos internos

Un transistor de un solo electrón ( SET ) es un dispositivo electrónico sensible basado en el efecto de bloqueo de Coulomb . En este dispositivo, los electrones fluyen a través de una unión túnel entre la fuente y el drenaje hasta un punto cuántico (isla conductora). Además, el potencial eléctrico de la isla se puede ajustar mediante un tercer electrodo, conocido como compuerta, que está acoplado capacitivamente a la isla. La isla conductora está intercalada entre dos uniones túnel [1] modeladas por condensadores, y , y resistencias, y , en paralelo.

Historia

En 1977, David Thouless señaló que el tamaño de un conductor, cuando se lo hace lo suficientemente pequeño, afecta sus propiedades electrónicas, y comenzó un nuevo subcampo en la física de la materia condensada. [2] A esto le siguió la investigación en física mesoscópica en la década de 1980, basada en el tamaño submicrónico de los sistemas investigados. [3] Así comenzó la investigación relacionada con el transistor de un solo electrón.

El primer transistor de un solo electrón basado en el fenómeno del bloqueo de Coulomb fue reportado en 1986 por los científicos soviéticos KK Likharev  [ru] y DV Averin. [4] Un par de años después, T. Fulton y G. Dolan en Bell Labs en los EE. UU. fabricaron y demostraron cómo funciona dicho dispositivo. [5] En 1992 Marc A. Kastner demostró la importancia de los niveles de energía del punto cuántico. [6] A fines de la década de 1990 y principios de la de 2000, los físicos rusos SP Gubin, VV Kolesov, ES Soldatov, AS Trifonov, VV Khanin, GB Khomutov y SA Yakovenko fueron los primeros en demostrar un SET basado en moléculas que funcionaba a temperatura ambiente. [7]

Pertinencia

La creciente relevancia de la Internet de las cosas y las aplicaciones sanitarias tienen un impacto cada vez más relevante en el consumo de energía de los dispositivos electrónicos. Por este motivo, el consumo de energía ultrabajo es uno de los principales temas de investigación en el mundo de la electrónica actual. La asombrosa cantidad de ordenadores diminutos que se utilizan en el mundo cotidiano (por ejemplo, teléfonos móviles y aparatos electrónicos domésticos) requiere un nivel de consumo de energía significativo de los dispositivos implementados. En este escenario, el SET ha aparecido como un candidato adecuado para lograr este rango de bajo consumo con un alto nivel de integración de dispositivos.

Las áreas aplicables incluyen: electrómetros supersensibles, espectroscopia de un solo electrón, estándares de corriente CC, estándares de temperatura, detección de radiación infrarroja, lógica de estado de voltaje, lógica de estado de carga, lógica de transistor de un solo electrón programable. [8]

Dispositivo

Principio

Diagrama esquemático de un transistor de un solo electrón
De izquierda a derecha: niveles de energía de fuente, isla y drenaje en un transistor de un solo electrón para el estado de bloqueo (parte superior) y el estado de transmisión (parte inferior).

El SET tiene, al igual que el FET , tres electrodos: fuente, drenaje y una compuerta. La principal diferencia tecnológica entre los tipos de transistores está en el concepto de canal. Mientras que el canal cambia de aislado a conductor con el voltaje de compuerta aplicado en el FET, el SET siempre está aislado. La fuente y el drenaje están acoplados a través de dos uniones túnel , separadas por un nanopunto cuántico (QD) metálico o basado en semiconductores , [9] también conocido como la "isla". El potencial eléctrico del QD se puede sintonizar con el electrodo de compuerta acoplado capacitivamente para alterar la resistencia, al aplicar un voltaje positivo el QD cambiará del estado de bloqueo al estado de no bloqueo y los electrones comenzarán a tunelizarse hacia el QD. Este fenómeno se conoce como el bloqueo de Coulomb .

La corriente, de la fuente al drenador, sigue la ley de Ohm cuando se aplica, y es igual a donde la principal contribución de la resistencia proviene de los efectos de túnel cuando los electrones se mueven de la fuente al QD y del QD al drenador. regula la resistencia del QD, que regula la corriente. Este es exactamente el mismo comportamiento que en los FET regulares. Sin embargo, al alejarse de la escala macroscópica, los efectos cuánticos afectarán la corriente,

En el estado de bloqueo, todos los niveles de energía inferiores están ocupados en el QD y ningún nivel desocupado se encuentra dentro del rango de tunelización de los electrones que se originan en la fuente (verde 1.). Cuando un electrón llega al QD (2.) en el estado sin bloqueo, llenará el nivel de energía vacante más bajo disponible, lo que elevará la barrera de energía del QD, sacándolo de la distancia de tunelización una vez más. El electrón continuará haciendo túnel a través de la segunda unión de túnel (3.), después de lo cual se dispersa de manera inelástica y alcanza el nivel de Fermi del electrodo de drenaje (4.).

Los niveles de energía del QD están espaciados uniformemente con una separación de Esto da lugar a una autocapacitancia de la isla, definida como: Para lograr el bloqueo de Coulomb, se deben cumplir tres criterios: [10]

  1. La tensión de polarización debe ser menor que la carga elemental dividida por la autocapacitancia de la isla:
  2. La energía térmica en el contacto de la fuente más la energía térmica en la isla, es decir, debe ser menor que la energía de carga: de lo contrario, el electrón podrá pasar el QD a través de la excitación térmica.
  3. La resistencia de tunelización, debe ser mayor que la que se deriva del principio de incertidumbre de Heisenberg . [11] donde corresponde al tiempo de tunelización y se muestra como y en la figura esquemática de los componentes eléctricos internos del SET. Se supone que el tiempo ( ) de tunelización de electrones a través de la barrera es insignificante en comparación con las otras escalas de tiempo. Esta suposición es válida para barreras de túnel utilizadas en dispositivos de un solo electrón de interés práctico, donde

Si la resistencia de todas las barreras de túnel del sistema es mucho mayor que la resistencia cuántica, es suficiente para confinar los electrones a la isla, y es seguro ignorar los procesos cuánticos coherentes que consisten en varios eventos de tunelización simultáneos, es decir, co-tunelización.

Teoría

La carga de fondo del dieléctrico que rodea el punto cuántico se indica mediante . y denotan el número de electrones que pasan por las dos uniones túnel y el número total de electrones es . Las cargas correspondientes en las uniones túnel se pueden escribir como:

donde y son las capacidades de fuga parásita de las uniones túnel. Dado el voltaje de polarización, puede resolver los voltajes en las uniones túnel:

La energía electrostática de una unión de túnel doblemente conectada (como la de la imagen esquemática) será

El trabajo realizado durante el túnel de electrones a través de la primera y segunda transición será:

Dada la definición estándar de energía libre en la forma:

donde encontramos la energía libre de un SET como:

Para mayor consideración, es necesario conocer el cambio en la energía libre a temperaturas cero en ambas uniones del túnel:

La probabilidad de una transición de túnel será alta cuando el cambio en la energía libre sea negativo. El término principal en las expresiones anteriores determina un valor positivo de siempre que el voltaje aplicado no exceda el valor umbral, que depende de la capacidad más pequeña en el sistema. En general, para un QD sin carga ( y ) para transiciones simétricas ( ) tenemos la condición

(es decir, el voltaje umbral se reduce a la mitad en comparación con una sola transición).

Cuando el voltaje aplicado es cero, el nivel de Fermi en los electrodos metálicos estará dentro del espacio de energía. Cuando el voltaje aumenta hasta el valor umbral, se produce un efecto túnel de izquierda a derecha, y cuando el voltaje inverso aumenta por encima del nivel umbral, se produce un efecto túnel de derecha a izquierda.

La existencia del bloqueo de Coulomb es claramente visible en la característica corriente-voltaje de un SET (un gráfico que muestra cómo la corriente de drenaje depende del voltaje de compuerta). A voltajes de compuerta bajos (en valor absoluto), la corriente de drenaje será cero, y cuando el voltaje aumenta por encima del umbral, las transiciones se comportan como una resistencia óhmica (ambas transiciones tienen la misma permeabilidad) y la corriente aumenta linealmente. La carga de fondo en un dieléctrico no solo puede reducir, sino bloquear por completo el bloqueo de Coulomb.

En el caso en que la permeabilidad de las barreras de túnel es muy diferente, surge una característica IV escalonada del SET. Un electrón hace un túnel hacia la isla a través de la primera transición y se retiene en ella, debido a la alta resistencia de túnel de la segunda transición. Después de un cierto período de tiempo, el electrón hace un túnel a través de la segunda transición, sin embargo, este proceso hace que un segundo electrón haga un túnel hacia la isla a través de la primera transición. Por lo tanto, la mayoría de las veces la isla está cargada en exceso de una carga. Para el caso con la dependencia inversa de la permeabilidad, la isla estará despoblada y su carga disminuirá gradualmente. [ cita requerida ] Solo ahora podemos entender el principio de funcionamiento de un SET. Su circuito equivalente puede representarse como dos uniones de túnel conectadas en serie a través del QD, perpendicular a las uniones de túnel está conectado otro electrodo de control (puerta). El electrodo de puerta está conectado a la isla a través de un tanque de control. El electrodo de puerta puede cambiar la carga de fondo en el dieléctrico, ya que la puerta polariza adicionalmente la isla de modo que la carga de la isla se vuelve igual a

Sustituyendo este valor en las fórmulas encontradas anteriormente, encontramos nuevos valores para los voltajes en las transiciones:

La energía electrostática debe incluir la energía almacenada en el condensador de la compuerta, y el trabajo realizado por el voltaje en la compuerta debe tenerse en cuenta en la energía libre:

A temperaturas cero, solo se permiten transiciones con energía libre negativa: o . Estas condiciones se pueden utilizar para encontrar áreas de estabilidad en el plano

Con el aumento de la tensión en el electrodo de compuerta, cuando la tensión de alimentación se mantiene por debajo de la tensión del bloqueo de Coulomb (es decir, ), la corriente de salida del drenador oscilará con un período Estas áreas corresponden a fallas en el campo de la estabilidad. Las oscilaciones de la corriente de tunelización ocurren en el tiempo, y las oscilaciones en dos uniones conectadas en serie tienen una periodicidad en la tensión de control de compuerta. El ensanchamiento térmico de las oscilaciones aumenta en gran medida con el aumento de la temperatura.

Dependencia de la temperatura

Se han probado con éxito diversos materiales para crear transistores de un solo electrón. Sin embargo, la temperatura es un factor importante que limita su implementación en los dispositivos electrónicos disponibles. La mayoría de los SET basados ​​en metales solo funcionan a temperaturas extremadamente bajas.

Transistor de un solo electrón con terminales de niobio e isla de aluminio

Como se menciona en el punto 2 de la lista anterior: la energía de carga electrostática debe ser mayor que para evitar que las fluctuaciones térmicas afecten el bloqueo de Coulomb . Esto, a su vez, implica que la capacitancia de isla máxima permitida es inversamente proporcional a la temperatura y debe ser inferior a 1 aF para que el dispositivo funcione a temperatura ambiente.

La capacitancia de la isla es una función del tamaño del punto cuántico, y un diámetro de punto cuántico menor a 10 nm es preferible cuando se busca el funcionamiento a temperatura ambiente. Esto, a su vez, impone enormes restricciones a la capacidad de fabricación de los circuitos integrados debido a problemas de reproducibilidad.

Compatibilidad con CMOS

Circuito híbrido SET-FET

El nivel de la corriente eléctrica del SET se puede amplificar lo suficiente para trabajar con la tecnología CMOS disponible generando un dispositivo híbrido SET- FET . [12] [13]

El proyecto IONS4SET (#688072) [14], financiado por la UE en 2016, busca la fabricación de circuitos SET-FET que funcionen a temperatura ambiente. El objetivo principal de este proyecto es diseñar un flujo de proceso de fabricación de SET para operaciones a gran escala que busquen extender el uso de las arquitecturas híbridas SET-CMOS. Para asegurar el funcionamiento a temperatura ambiente, se deben fabricar puntos individuales de diámetros inferiores a 5 nm y ubicarlos entre la fuente y el drenador con distancias de túnel de unos pocos nanómetros. [15] Hasta ahora no existe un flujo de proceso confiable para fabricar un circuito híbrido SET-FET que funcione a temperatura ambiente. En este contexto, este proyecto de la UE explora una forma más factible de fabricar el circuito SET-FET utilizando dimensiones de pilares de aproximadamente 10 nm. [16]

Véase también

Referencias

  1. ^ Mahapatra, S.; Vaish, V.; Wasshuber, C.; Banerjee, K.; Ionescu, AM (2004). "Modelado analítico de transistores de un solo electrón para el diseño de circuitos integrados analógicos híbridos CMOS-SET". IEEE Transactions on Electron Devices . 51 (11): 1772–1782. Bibcode :2004ITED...51.1772M. doi :10.1109/TED.2004.837369. ISSN  0018-9383. S2CID  15373278.
  2. ^ Thouless, David J. (1977). "Resistencia metálica máxima en alambres delgados". Phys. Rev. Lett . 39 (18): 1167–1169. Código Bibliográfico :1977PhRvL..39.1167T. doi :10.1103/PhysRevLett.39.1167.
  3. ^ Al'Tshuler, Boris L.; Lee, Patrick A. (1988). "Sistemas electrónicos desordenados". Physics Today . 41 (12): 36–44. Bibcode :1988PhT....41l..36A. doi :10.1063/1.881139.
  4. ^ Averin, DV; Likharev, KK (1986-02-01). "Bloqueo de Coulomb de la tunelización de un solo electrón y oscilaciones coherentes en pequeñas uniones túnel". Journal of Low Temperature Physics . 62 (3–4): 345–373. Bibcode :1986JLTP...62..345A. doi :10.1007/BF00683469. ISSN  0022-2291. S2CID  120841063.
  5. ^ "Transistores de un solo electrón". Physics World. 1 de septiembre de 1998. Consultado el 17 de septiembre de 2019 .
  6. ^ Kastner, MA (1992-07-01). "El transistor de un solo electrón". Rev. Mod. Phys . 64 (3): 849–858. Código Bibliográfico :1992RvMP...64..849K. doi :10.1103/RevModPhys.64.849.
  7. ^ Gubin, SP; Gulayev, Yu V.; Khomutov, GB; Kislov, VV; Kolesov, VV; Soldatov, ES; Sulaimankulov, KS; Trifonov, AS (2002). "Agrupamientos moleculares como bloques de construcción para la nanoelectrónica: la primera demostración de un transistor de tunelización de un solo electrón en agrupamiento a temperatura ambiente". Nanotecnología . 13 (2): 185–194. Bibcode :2002Nanot..13..185G. doi :10.1088/0957-4484/13/2/311..
  8. ^ Kumar, O.; Kaur, M. (2010). "Transistor de un solo electrón: aplicaciones y problemas". Revista internacional de diseño y sistemas de comunicación VLSI . 1 (4): 24–29. doi : 10.5121/vlsic.2010.1403 .
  9. ^ Uchida, Ken; Matsuzawa, Kazuya; Koga, Junji; Ohba, Ryuji; Takagi, Shin-ichi; Toriumi, Akira (2000). "Modelo analítico de transistor de un solo electrón (SET) para el diseño y análisis de circuitos SET realistas". Revista japonesa de física aplicada . 39 (parte 1, n.º 4B): 2321–2324. Código Bibliográfico :2000JaJAP..39.2321U. doi :10.1143/JJAP.39.2321. ISSN  0021-4922.
  10. ^ Poole, Charles P. Jr.; Owens, Frank J. (2003). Introducción a la nanotecnología . John Wiley & Sons Inc. ISBN 0-471-07935-9.
  11. ^ Wasshuber, Christoph (1997). "2.5 Resistencia mínima de túnel para carga de un solo electrón". Acerca de dispositivos y circuitos de un solo electrón (doctorado). Universidad Tecnológica de Viena.
  12. ^ Ionescu, AM; Mahapatra, S.; Pott, V. (2004). "Arquitectura híbrida SETMOS con oscilaciones de bloqueo de Coulomb y accionamiento de alta corriente". IEEE Electron Device Letters . 25 (6): 411–413. Bibcode :2004IEDL...25..411I. doi :10.1109/LED.2004.828558. ISSN  0741-3106. S2CID  42715316.
  13. ^ Amat, Esteve; Bausells, Joan; Perez-Murano, Francesc (2017). "Explorando la influencia de la variabilidad en transistores de un solo electrón en circuitos basados ​​en SET". IEEE Transactions on Electron Devices . 64 (12): 5172–5180. Bibcode :2017ITED...64.5172A. doi :10.1109/TED.2017.2765003. ISSN  0018-9383. S2CID  22082690.
  14. ^ "Sitio web de IONS4SET" . Consultado el 17 de septiembre de 2019 .
  15. ^ Klupfel, FJ; Burenkov, A.; Lorenz, J. (2016). "Simulación de dispositivos de memoria de un solo electrón basados ​​en puntos de silicio". Conferencia internacional de 2016 sobre simulación de procesos y dispositivos semiconductores (SISPAD) . pp. 237–240. doi :10.1109/SISPAD.2016.7605191. ISBN . 978-1-5090-0818-6. Número de identificación del sujeto  15721282.
  16. ^ Xu, Xiaomo; Heinig, Karl-Heinz; Möller, Wolfhard; Engelmann, Hans-Jürgen; Klingner, Nico; Gharbi, Ahmed; Tiron, Raluca; Johannes von Borany; Hlawacek, Gregor (2019). "Modificación de la morfología de nanopilares de Si bajo irradiación iónica a temperaturas elevadas: Deformación plástica y adelgazamiento controlado a 10 nm". arXiv : 1906.09975v2 [physics.app-ph].