论文研究-纳米结构中的单电子现象及单电子器件 .pdf

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纳米结构中的单电子现象及单电子器件,臧可,赵文深,本文简要阐述了纳米电子学中单电子隧道效应和库伦阻塞现象的原理,介绍了一些单电子器件,其中对单电子晶体管进行了详述,展望了
山国技论文在线 周期性的导通与关閉。输运电荷的原理可以用个四行程来解释:想象·具有前后两道门的 回转门 结构,而闸极电压可以控制个别的开关。初始状况是两道门都关闭, 岛中电子数为。第一步打开前门,一个电子进入中央岛。第二步将前门关闭,此时 岛中电子数为。第三步将后门打开,一个电子离开中央帛。第四步再将后门关闭, 回到初始状态。每个循环都只输运一个电子,产生的电流I可以由讯号的频率决定 H于一般的无法个别控制前后门的开关,实做上是利用了四个穿隧接面串联的单电子 组件。利用这种特性,人们可以使用精确的频夲标准控制通过电流,制造出电流标准ε类 似观念也曾应用在量子点系统上,控制通过量子点的电流。 由于高阶遂穿如 现象不受闸极控制,因此会造成额外电流。为了诚少此种 误差,更新颖的实验使用更多穿隧接面的数组,诚少 电流。每相邻穿隧接面行 程的单电了岛都需要个控訇闸极。操作上需要同时控制数个闸极的电压,之间维持固定 相位差。这种一关一关的输送电荷方式,称为电荷泵。美国标准与技术研究所的 等人利用了七个穿隧接面的电荷泵,达到 的电流精准度 单电子晶体管的震荡 单电子晶体管当外加一固定偏压电流时,理论上可以产牛一窄频宽的电磁振荡,I 虽然公式一样,但这个物理机制和电荷泵的原理完全不同。其原因和晶格系统中的 振荡炎似。以下我们简单的描述产生的机制:一般而言,超导穿隧接面的能量可以表示成: 其中和分别是充电能和约瑟分耦合能,是接面上累积的厍伯电子对数目。因 此对超导相位来说,可以视为在一周期性位能阱中的质点运动,或称做洗衣板模型。这是 个标准一维晶格问题。这个量子力学问题的本征能量是形成波的能带形式,量子数 包括 波的波向量和能带数目。在穿隧接血中, 波的波向量代表相位对时间的导 数,称做准电伺,因为和接面电荷量有关。像贔格系统·样,能量和波函数是的周期性 函数。当外加固定电流时,产生的随时间变化。但是在到达 区的边界时,会 回到另一个边界,因此产生周期性变动。上述是以超导系统米解释,如果是正常金属, 则相位是为电子穿隧时的电子波相位变化。同样可以得到类似的结果。 实验上不容易直接侦测到单电子晶体管发出的高频振荡。一般会利用外加讯号锁定 振荡,其原理类似力学中的共振行为。锁定时,外加讯号每一周期可以传送个电 子,因此可以得到电流平台:I的结果。这结果很类似电荷泵。由于在电荷泵中要同时 控制数个闸极是相当困难的,因此也有将 振荡应用来做为电流标准的想法。日前实验 上并没有确定的观察到 振荡,原因可能是穿隧接面阻抗和环境阻抗的影响。如果环境 阻抗太小,则对系统的耗散太强,耗散时间约为时间,其中是环境阻抗,是接面 电容。若振动频率低于,则形成过阻尼振动。图五是笔者计算有限温度和偏压下, 单超导穿隧接面的密度矩阵对角单元的 方程得到的吋间变化。般的时 间约为 。因此要看到 振荡,频率至少要大于 在超导系统中可以观察到振荡的共轭现象 效应。将前述的 推导运动方程式,可以得到 效应的基本公式 山国技论文在线 方 可以发现当电压为常数的时候,相位随时间等速增加。由于电流是相位的周期性函数, 因此固定电压时,会产生电流,频率为。用之前的维洗衣板模型,可以把电 压视为质点运动的速度。当质点等速度前进时,会周期性的经过波峰和波谷而产生振荡。简 而言之, 振荡是在晶格空间的振荡,而约瑟分效应是在晶格实空间的振荡。这 可以在半导体超晶格系统上得到验证。 如果在超导接面系统中外加讯号,可以锁定电流振荡,而在特定电压位置产生平台, 称为 台阶。一个人面积约瑟分接面的组件实做上已经成为一电压标准。因 为具有较人的相位扰动,因此不适合做为标准组件,但实验上可以成功观察到的 台阶。 单电子晶体管 的一些应用 单电子晶体管是微电子科学的一个重要发现。由于可以控制在微小隧道结体系中 单个电子的隧穿过程,因而利用它可以设计出多种功能器件。在现代亚微米器件中,限制器 件工作速度的是电容充放电时间,而单电子晶体管的电容人约只有 ,且只要控制 单个电子即可实现某种特定功能,所以它的响应速 Qubit Read-out 日 r g5 图 读出 电路 度和功耗都比传统晶体管的极限数据优于上千倍。目前口本已经研制成功在室温条 件下工作的单电了晶体管 它至少可以在以下三个方面有重要应用:对极微弱电流 的测量和制成超髙灵敏度的静电计;枃成新机理的超髙速微功耗特大规模量子功能器件、 电路和系统以及量子功能计算机;研究髙灵敏度红外辐射检测器。本文以单电子晶体管 用于实现量子计算机的读出器为例,说明可用于放大相关单个量子信号。图 为用 读出“ 的电路。图中带横线的方框符号表示一个隧道结,虚线左边为“ 电路,右边为“ ”电路。 山国技论文在线 口ut L 基本设计 SEl TSE VCEJ2 bul out C□,cc 互补型设计 图单电子触发器 “”电路是借助于具有 耦合能的 隧道结,由库仑能 为的超导岛连接一个超导电容构成。通过与电压源连接的栅极电容可以静电地 影响此岛。而“ ”电路是山单电子晶体管构成,用于读出这个 另 个用设计的例子是模仿传统的存储器设计,例如静态存储器单元或者称为触发器。设 计电路如图所示,其工作原理与传统触发器相同。图中,隧道结和构成一个 单电子品体管,为负载电阻,它是具有典型的隧道电阻不同于隧道结和的电阻。 负载电谷比隧道结电容大得多它意味着用电了数为 衣示比特信息。图 为互补型单电了触发器其中用单电了晶体管,即隧道结和替换了图中的负 载隧道结 而它们的隧道电阻是相似的 结论 当今科技的发展要求材料的超微化、智能化、元件的高集成、高密度存储和超快传输等 特性为纳米科技和纳米材料的应用提供了广阔的空间。美国制定的“国家纳米技术侣议” 中所列纳米科学与技术涉及的领域很宽泛,但最基本的有三个,即纳米材料,纳米电 学、光电子学和磁学,纳米医学和生物学 发展纳米科技存在科学理论、科学方法、科技创新和高风险等难点。以国家目标为导向,纳 米器什的研制和集成是纳米科技的核心,纳米材料的制备和研究是工作的重点,“由上而下 山国技论文在线 的方法” 还将是日前主要的研究方法,用体制创新推动技术创新,使纳米科技的 卢业化得到健康的发展。有些人认为纳米技术的发展会很缓慢,但是逐步地,这项新学科将 渗透到更广阔的产业中去。 参考文献 陈启东,物理双月刊,廿一卷,期 杜磊段庄毅,纳米电子学

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