Одноэлектроника и одноэлектронные приборы

Посмотреть архив целиком
Реферат
по электронике на тему «Одноэлектроника и
одноэлектронные приборы»
Выполнила: ст. гр. 04-215
Малкова Екатерина Сергеевна
Принял: проф., д.т.н.
Шишкин Геннадий Георгиевич

Москва
-2009-

Теоретические основы одноэлектроники
Эффект кулоновской блокады.
Кулоновская блокада — это явление
отсутствия
тока
при
приложении
напряжения к туннельному переходу из-за
невозможности туннелирования электронов
вследствие их кулоновского отталкивания.

Начальный заряд на туннельном переходе может быть отличен от нуля, и может принимать
значения, не кратные целому числу электронов.
Если заряд хотя бы немного меньше значения, то добавление или вычитание одного
электрона приводит к увеличению общей энергии.
Если же заряд превышает значение, то выгодным становится туннелирование электрона
через диэлектрик. Для того чтобы обеспечить туннелирование через переход, необходимо
преодолеть силу кулоновского отталкивания электронов. Данный эффект отсутствия тока при
приложении напряжения в указанных пределах был назван эффектом кулоновской блокады.

Теоретические основы одноэлектроники
Одноэлектронное туннелирование в условиях кулоновской блокады.
Процесс протекания тока через одиночный туннельный переход происходит в
несколько стадий. Здесь можно провести аналогию с каплей воды, отрывающейся от
края трубки, предложенную К. К. Лихаревым: при достижении некоторой
критической массы капля отрывается от крана и начинается образование следующей.
На
В первой
ходе
второй
четвертой
третьей
стадии
стадии
стадии
в стадии
начальный
к металлическим
после
происходит
момент
акта
времени
обкладкам
туннелирования
накопление граница
заряда
прикладывается
система
до тех
между
пор, возвращается
пока
металлом
электрический
его величины
ив
диэлектриком
потенциал
первоначальное
не будет и достаточно
насостояние.
является
границе для
раздела
Привозникновения
электрически
сохранении
начинает
нейтральной.
накапливаться
внешнего
туннелирования
приложенного
заряд.
Электрический
одногоНа
единственного
параллельной
напряжения
ток электрона
является
схеме
цикл
величиной
начинает
повторяется
через диэлектрик.
формироваться
непрерывной.
вновь.
капля.
Для его поддержания
необходимо на одной стороне туннельного
перехода накопить определенный заряд.

Теоретические основы одноэлектроники
Кулоновская лестница
Рассмотрим двухпереходную систему с
несимметричными переходами. На островке будет
существовать заряд из n электронов. При
увеличении
напряжения
до
значения,
достаточного для забрасывания на островок n+1го электрона, вначале будет происходить резкое
увеличение тока, обусловленное переходом с
высоким темпом туннелирования.
Дальнейшее
увеличение
тока
будет
медленным до тех пор, пока на островок не
сможет попасть n+2-й электрон. Таким образом в
каждый момент времени на островке будет
существовать
определенное
количество
электронов,
зависящее
от
приложенного
напряжения. В результате ВАХ двухпереходной
системы имеет ступенчатый вид, называемый
"кулоновской лестницей". Ступеньки кулоновской
лестницы будут тем ярче выражены, чем более
несимметричны переходы, а при симметрии
переходов ступеньки исчезают.

Одноэлектронные приборы
Фундаментальным одноэлектронным устройством является одноэлектронный
транзистор. Он содержит область проводимости, соединенную с истоковыми и
стоковыми электродами – туннельными барьерами, которые имеют емкостную связь с
затвором.
Изменяя напряжение на затворе, можно
моделировать ток через область “исток-сток”.
Если создать несколько областей с взаимной
емкостной связью - возможно перемещение через
эти области дискретных электронов. В этом
случае можно реализовать логические функции.
Одной из перспективных конструкций является
Т-образная
транзисторная
структура,
изображенная на рисунке.

(а)

Структура кремниевого Т-образного соединения
проводников, изготовленного на базе SIMOX подложки
(б)
Схема
расположения
кремниевых
областей
проводимости,
сформированных
с
применением
технологии PADOX.
Овалами
обозначены
области
проводимости,
а
заштрихованные
части
соответствуют
сужениям
кремниевых проводников (туннельным барьерам)

Одноэлектронные приборы
Устройство используется для коммутации
тока между двумя кремниевыми областями.
Если подать напряжение, зависимость тока
через
устройство
с
двумя
областями
проводимости от напряжения на верхнем
затворе при температуре 30К (нижние затворы
не
используются).
будет
иметь
вид,
представленный на рисунке. На врезке показана
работа коммутатора тока при подаче на затвор
последовательности импульсов напряжения с
амплитудой 100 мВ (от 0 до 0,1 В) и периодом
100 мс
На ВАХ видны колебания, связанные с
эффектом кулоновской блокады. Различные
периоды колебаний связаны с размерами
областей.
Противофазность
колебаний
позволяет осуществить коммутацию тока между
плечами Т-образного соединения. Отметим, что
переключение токов с соотношением 1: 20
реализовано в области 200?300 нм.

Одноэлектронные приборы
На основе Т-образных транзисторных
структур может быть реализован ряд
уникальных
схем.
Одноэлектронный
коммутатор или одноэлектронный насос
представлен на рисунке (а). Гармонический
сигнал управления с частотой f подается на
затворы и позволяет прокачивать одиночные
электроны, дает ток, равный произведению
частоты на заряд электрона. На рисунке (б)
представлен направленный коммутатор для
одноэлектронного
перемещения,
использующий три кремниевых области
проводимости.

а) Одноэлектронный коммутатор или одноэлектронный насос
б)Направленный
коммутатор
для
одноэлектронного
перемещения, использующий три кремниевых области
проводимости

В этом устройстве соединены два одноэлектронных насоса. Каждый одиночный электрон
может перемещаться по одному из двух путей – плат Т-образного соединения. Выбор
конкретного пути перемещения определяется входным управляющим сигналом. Такие
устройства позволяют осуществить построение логических структур с использованием
отдельных электронов. Эти одноэлектронные структуры могут иметь сверхвысокую степень
интеграции и сверхмалое потребление мощности при минимальных габаритах.

Будущее одноэлектронных устройств
Группа американских учёных предложила
параллельный
способ
производства
одноэлектронных устройств. Принципиальная
схема такого устройства представлена на
рисунке. Стоит заметить, что данная схема
отличается от всем привычного расположения
стока, истока и затвора: они расположены не
горизонтально, а вертикально. Проводящий
островок расположен на торцевой стороне
диэлектрического зазора.
Авторы
работы
надеются,
что
разработанная ими технология позволит
удешевить
и
упростить
создание
одноэлектронных устройств, что, в конечном Схема новой архитектуры одноэлектронных устройств.
счёте, должно привести к полному переходу Эквивалентная схема одноэлектронного переноса
индустрии электроники на одноэлектронную (пунктирная линия) представлена слева вверху рисунка.
элементную базу.

Список литературы
1.К.К. Лихарев, Одноэлектроника, В мире науки, n. 8, 1992, c. 42
2.Солдатов Е.С., Ханин В.В., Трифонов А.С., Губин С.П., Колесов В.В.,
Преснов Д.Е., Яковенко С.А., Хомутов Г.Б., Одноэлектронный транзистор на
основе одиночной кластерной молекулы при комнатной температуре, т. 64,
вып. 7, с. 510 (1996)
Материалы с сайтов
3. http://irina1.netfirms.com/
4.http://www.formulawoman.com/5/4/
5.http://www.chipnews.ru/html.cgi/arhiv/99_07/stat_13.htm
6.http://www.scientific.ru/
7.http://www.nanometer.ru/2009/01/02/transistor_55135.html
8.http://psj.nsu.ru/departments/semic/150302.html






Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.