M ỤC LỤC
1.5. Tổng quan về những nghiên cứu liên quan đến transistor đơn điện tử
TRANSISTOR ĐƠN ĐIỆN TỬ
Cho đến nay, trong lĩnh vực nghiên cứu linh kiện điện tử kích thước nanomet đã có khá nhiều mô hình transistor đơn điện tử SET được đề xuất. Mỗi mô hình SET được đề xuất có những ưu điểm và khuyết điểm riêng.
Hiệu ứng của sự lượng tử hóa điện tích được quan sát đầu tiên tại các tiếp xúc đường hầm của những phần tử kim loại ngay từ 1968. Sau đó, một ý tưởng khắc phục khóa Coulomb với một điện cực cổng G được đề nghị. Kulik và Shekhter phát triển lý thuyết của dao động khóa Coulomb, sự biến đổi tuần hoàn của độ dẫn G như là một hàm của điện thế điện cực cổng. Lý thuyết của họ thì kinh điển, bao gồm sự lượng tử hóa điện tích nhưng không lượng tử hóa năng lượng. Tuy nhiên, mãi đến năm 1987 Fulton và Dolan đã tạo ra transistor đơn điện tử SET đầu tiên, hoàn toàn thoát khỏi những phần tử kim loại, chú ý dự đoán những dao động. Họ tạo ra một phần tử kim loại được liên kết với hai dây kim loại bằng những tiếp xúc đường hầm, tất cả ở trên đỉnh của chất cách điện với điện cực cổng bên dưới. Từ đó, điện dung của những SET kim loại được làm giảm đi bởi sự lượng tử hóa điện tích rất nghiêm ngặt [11].
Hình 1.8: Cấu trúc
transistor đơn điện tử SET.
Transistor đơn điện tử SET bán dẫn được tạo ra hết sức ngẫu nhiên vào năm 1989 bởi Scott – Thomas và các đồng sự trong những transistor hiệu ứng trường Si hẹp. Trong trường hợp này, những rào thế đường hầm được tạo ra bởi những điện tích trên bề mặt. Sau đó không lâu, Meirav và các đồng sự đã tạo ra những linh kiện điều khiển được như được miêu tả trong hình 1.8, mặc dù với những cấu trúc khác loại ít gặp với AlGaAs dưới đáy thay vì trên đỉnh. Đối với linh kiện SET này và những linh kiện tương tự, những tác động của hiệu ứng lượng tử hóa năng lượng quan sát một cách dễ dàng. Chỉ vài năm sau, những transistor đơn điện tử SET kim loại được tạo ra đủ nhỏ để quan sát sự lượng tử hóa năng lượng. Foxman và các đồng sự đã đo được bề rộng của mức Γ, chỉ ra sự lượng tử hóa điện tích và sự lượng tử hóa năng lượng bị tổn hao như thế nào như sự giảm đi của điện trở vào khoảng h/e2 [11].
Trong hầu hết các trường hợp, điện thế giam giữ những điện tử trong một transistor đơn điện tử SET là đối xứng đủ thấp trong phương thức của sự hỗn loạn lượng tử: lượng duy nhất được lượng tử hóa là năng lượng. Trong trường hợp này, phương pháp tiếp cận rất phức tạp dựa trên một phần lý thuyết ma trận ngẫu nhiên cho những dự đoán sự sắp xếp khoảng cách đỉnh và chiều cao đỉnh đối với dữ liệu giống như hình 1.9.
Hình 1.9: Độ dẫn của một transistor đơn điện tử như là một hàm của điện thế
cực cổng. Khoảng cách giữa các đỉnh là điện thế cần thiết để thêm một điện
tử vào nguyên tử nhân tạo. Những kết quả này dành cho một loại linh kiện
Những mô hình của transistor đơn điện tử được đề xuất gần đây như mô hình do Ken Uchida (Programmable Single-Electron Transistor logic for future
low-power intelligent LSI: Proposal and room-temperature operation, IEEE
transactions on electron devices, vol. 50, no. 7, July 2003) [10] đề xuất ứng dụng cho linh kiện hoạt động ở dãy thế thiên áp rộng, nhiệt độ tương đối cao nhưng chỉ sử dụng cho trường hợp linh kiện SET đối xứng. Trong khi đó mô hình của X. Wang và W. Porod (Single-electron transistor analytic I-V model for SPICE
simulations, Superlatt. Microstruct, vol. 28, pp. 345-349, 2000) [18] dùng được
cho trường hợp bất đối xứng nhưng không chính xác ở vùng giữa khóa Coulomb. Đối với mô hình của Y. S. Yu (Macromodeling of single electron
transistor for efficient circuits simulation, IEEE Trans. Electron Devices, vol.
46, pp. 1667-1671, Aug. 1996) [19] thì không có cơ sở vật lý ứng dụng cho linh kiện thực. Mô hình của Hiroshi Inokawa và Yasuo Takahashi (A compact
analytical model for asymmetric single electron tunneling transistor, IEEE
Trans. Electron Devices, vol. 50, no. 2, Feb. 2003) [5] có thể sử dụng cho transistor đơn điện tử SET bất đối xứng, dãy thế thiên áp và nhiệt độ tương đối rộng nhưng vẫn hạn chế ở nhiệt độ phòng. Do đó, việc xây dựng mô hình SET chuẩn ứng dụng cho thiết kế vi mạch điện tử thực vẫn còn trong giai đoạn nghiên cứu.
Chương 2
XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC TÍNH DÒNG