Современная электроника №5/2023

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 13 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 5 / 2023 Для работы SET- транзистора при комнатной температуре ёмкость ООТ должна быть меньше 10–17 Ф . Следова - тельно , его размер должен быть мень - ше 10 нм . В одной из первых удачных попы - ток реализации SET, работавшего при комнатной температуре , исполь - зовался одноэлектронный транзистор с кремниевой квантовой точкой вну - три узкого проволочного канала . Диа - метр кремниевой точки был примерно 12 нм . Расстояние между энергетиче - скими уровнями составляло около 110 мэВ . Однако кулоновская энергия в районе сотни мэВ слишком мала , чтобы обеспечить стабильную работу одноэлектронного транзистора . В начале 2000- х годов японским физикам из Токийского технологиче - ского института удалось изготовить квантовую точку , туннельные пере - ходы которой были сопоставимы с размерами , близкими к атомарным . Согласно выводам этой работы , SET- транзистор обладал кулоновской энер - гией порядка 250 мэВ , что позволило преодолеть кулоновскую блокаду и реа - лизовать устойчивый перенос отдель - ных электронов при комнатной темпе - ратуре 100 К [37]. Основным недостатком изготов - ленных таким методом туннельных барьеров является их очень высо - кое сопротивление . Поэтому ток в SET- транзисторах подобного типа примерно в 100 раз меньше , чем в SET- транзисторах , работающих при криогенных температурах . Современные технологии дают воз - можность производить одноэлектрон - ные транзисторы , работающие при комнатных температурах (RT-SET) с квантовыми точками диаметром 5–7 нм и туннельными переходами меньше нанометра , что позволяет уменьшить суммарную ёмкость тран - зистора . Однако при этом возникает другая проблема , связанная с ёмкостя - ми истока , стока и затвора , которые могут быть порядка аттофарад ( десять в минус восемнадцатой фарад ). Такие параметры ёмкостей приводят к суб - пикосекундным значениям собствен - ной постоянной времени , даже если сопротивление туннельного перехода снизу ограничено квантом сопротив - ления , равным h/e 2 . От собственной ёмкости RT-SET- транзистора зависит его коэффициент усиления . Рассчитать эти величины с учётом возникающих квантовых эффектов достаточно слож - но в рамках современной электродина - мики и квантовой физики [38]. Ещё одна проблема RT-SET- транзисторов касается их собственных шумов . Так , например , для случая клас - сической электроники шум характери - зуется симметричной по частоте спек - тральной плотностью . С точки зрения квантовой механики нужно рассматри - вать две составляющие шума . Одна компонента шума передаёт энергию от измеряемой системы к электрометру , а другая – от электрометра к измеряе - мой системе . Существуют различные методы оценок квантового шума , у которых есть свои сторонники и свои противники . Тем не менее единого общепринятого мнения на этот счёт в настоящее время нет [39]. Ещё одна проблема из этой же серии касается фонового заряда RT-SET- транзисторов . Эти вопросы возни - кают из - за высокой чувствительно - сти одноэлектронных транзисторов к заряду . Одной заряженной вакансии или внедрённого иона на квантовой точке может быть достаточно , чтобы переключить транзистор из проводя - щего режима в состояние кулоновской блокады . Одним из вариантов борь - бы с этими нежелательными заряда - ми является использование гибридных схем с компенсирующими транзисто - рами . Если RT-SET объединить с обычны - ми FET- транзисторами , то , в принци - пе , можно получить гибридную схему , которая , с одной стороны , будет край - не чувствительна к заряду , а с другой – FET- транзистор обеспечит большой коэффициент усиления и низкий выходной импеданс . Один из вариан - тов такой схемы показан на рис . 9. Результаты экспериментов по соз - данию таких гибридных устройств на базе SE-T и CMOS- транзисторов на одной подложке описаны в статье [40]. Для подключения к SET- транзистору были специально разработаны два типа усилителей напряжения КМОП / ПМОП с внешними резисторами исто - ка и стока и инвертор КМОП , который обеспечивал усиление без внешних компонентов . Усилители подключа - лись к SET- транзистору , расположен - ному на той же подложке , и тестиро - вались при температуре около 1 К . В экспериментах с обоими типами уси - лителей наблюдались отчётливо выра - женные ступеньки ВАХ , которые под - тверждали наличие периодической кулоновской блокады при совмест - ном использовании CMOS- и SET- транзисторов . Это может позволить в будущем объединять транзисторы тех - нологии CMOS с квантовыми точка - ми в переключающих автоматах . Также CMOS- транзисторы могут быть задей - ствованы в комплекте с другими новы - ми устройствами и логическими типа - ми , использующими SET в качестве детектора одноэлектронных событий . Основная задача любого массового производства электронных компонен - тов заключается в гарантиях идентич - ности всех параметров выпускаемой продукции , которые фиксируются в технической документации . Однако даже размеры квантовых точек в насто - ящее время не могут быть воспроизве - дены с большой точностью при массо - вом производстве . Современные методы коллоидно - го синтеза позволяют получать полу - проводниковые QD точки с размерами 5–6 нм . Однако далеко не все синтези - руемые в одной партии QD имеют оди - наковые свойства [41]. Существуют лабораторные методы сортировки , которые , в принципе , дают возможность отбирать одинаковые во всех отношениях единичные кванто - вые точки [42], но цена конечного про - дукта при таком выходном контроле будет крайне высокой . Кроме того , на квантовых точках с размерами меньше 10 нм нужно раз - местить с большой точностью одина - ковые туннельные переходы атомар - ных размеров и наноэлектроды вводов / выводов . Это добавляет ещё один вид погрешностей работы транзисторов . В качестве одного из возможных путей решения проблемы абсолют - ной идентичности рассматриваются варианты « атомарного транзистора на одной молекуле ». В этом устрой - Рис . 9. Вариант гибридной схемы на базе SET- и CMOS- транзисторов на одной подложке