Современная электроника №5/2023

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 6 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 5 / 2023 Квантовые электронные компоненты Часть 2. Квантовые транзисторы Рис . 1. Упрощённая классическая схема работы одноэлектронного транзистора [5] Несмотря на то что теория одноэлектронных транзисторов (SET) и их первые лабораторные образцы появились в конце 1990- х , только спустя 20 лет технологии производства позволили выпускать небольшие партии SET, предназначенные для использования в приборах и оборудовании прикладного назначения . Технологий для массового производства SET- транзисторов , позволяющих выпускать конкурентоспособную по цене и качеству продукцию , сравнимую с классическими электронными компонентами , в настоящее время не существует . Поэтому основное применение одноэлектронные транзисторы нашли в областях научного , медицинского и метрологического оборудования . Виктор Алексеев Принцип действия одноэлектронного транзистора В первой части статьи были рассмо - трены так называемые квантовые точ - ки (quantum dot – QD). В самом общем случае под этим термином понимают фрагменты полупроводника с разме - рами порядка нескольких нанометров , в котором электроны не могут пере - мещаться по определённым направ - лениям . Например , в обычном полу - проводнике электроны двигаются по всем трём направлениям , а в двухмер - ном однослойном нанолисте (2D – nanosheets), состоящем из одного слоя атомов , электроны могут перемещаться исключительно в горизонтальной пло - скости . В качестве другого интересного примера можно привести нанопрово - локи , в которых наряду с квазикласси - ческим движением электронов вдоль проволоки было обнаружено квантова - ние движения электронов в попереч - ном направлении [1]. Одной из уникальных особенностей полупроводниковых квантовых точек (QD) является кулоновская блокада (coulomb blockade – CB). Было обна - ружено , что на полупроводниковой квантовой точке размером в несколь - ко нанометров , имеющей туннельный переход с двумя контактами , прохож - дение электронов между этими кон - тактами может быть заблокировано за счёт кулоновского потенциально - го барьера . Это объясняется тем , что электрон , находящийся на кванто - вой точке , создаёт электростатиче - ское поле , препятствующее проник - новению на QD другого электрона . Благодаря кулоновской блокаде оче - редной электрон сможет пройти через туннельный барьер квантовой точки только тогда , когда предыдущий элек - трон покинет пространство перехода . Основным условием возникновения эффекта CB является заметное превы - шение кулоновской энергии над значе - ниями тепловой энергии электронов (e 2 /2C >> kT). Это неравенство , безус - ловно , справедливо при криогенных температурах в несколько сотен мК . Для того чтобы кулоновская энергия была больше тепловой энергии при комнатной температуре , используются специальные методы снижения ёмко - сти квантовой точки , разработанные в последнее время [2]. Эти процессы положены в основу работы одноэлектронного транзисто - ра – ОЭТ (single-electron transistor – SET). Вообще , SET работает аналогич - но обычному транзистору . Основное отличие заключается в том , что в про - цессе усиления напряжения SET уча - ствует только один электрон . Таким образом , SET- транзистор даёт возможность получения заметных изменений напряжения при манипу - ляции с отдельными электронами . Пионерские работы с одноэлек - тронными транзисторами были проведены в начале 1990- х годов в Московском государственном универ - ситете . Российские ученые Д . В . Аверин , А . Н . Коротков и К . К . Лихарев опубли - ковали в 1991 году статью , в которой было продемонстрировано взаимодей - ствие между зарядкой одного электро - на и эффектами квантования энергии в процессах с полупроводниковыми гете - роструктурами и металлическими тун - нельными переходами малой площа - ди . Можно сказать , в этой статье был обоснован принцип работы одноэлек - тронного транзистора [3]. Гипотетическая схема логическо - го элемента « НЕ - И », собранного на основе одноэлектронных кластер - ных транзисторов , была предложена С . Вышенским , К . Лихаревым , С . Полон - ским . В 1996 году российские физики С . П . Губин , В . В . Колесов , Е . С . Солдатов , А . С . Трифонов , В . В . Ханин , Г . Б . Хому - тов , С . А . Яковенко создали лаборатор - ную модель одноэлектронного нанокла - стерного транзистора , работающего при комнатной температуре [4]. Упрощённая классическая схема работы одноэлектронного транзисто - ра показана на рис . 1. Подобно МОП - транзистору , одно - электронный туннельный SET- транзистор имеет три электрода : исток , сток и затвор , а также два туннель - ных перехода , которые образуют изо - лированный проводящий электрод с малой ёмкостью , получивший назва - ние «island». В русскоязычной литера - туре этот электрод , который фактиче - ски является квантовой точкой (QD), называют либо « изолированный уча - сток одноэлектронного транзистора », либо « островок одноэлектронного транзистора ООТ ». Другими словами , ООТ представляет собой небольшой проводящий островок , содержащий регулируемое количество электронов , занимающих дискретные орбитали . Исток Исток Затвор ООТ +V –V Vg Изолятор затвора Туннельные соединения