單電子晶體管基礎(chǔ)知識(shí)分享

單電子晶體管（SET）被認(rèn)為是制造下一代低功耗、高密度超大規(guī)模集成電路理想的基本器件，因?yàn)檫@種晶體管工作僅需要很少的電子，所以具有極低的功耗和極高的開(kāi)關(guān)速度。單電子晶體管有良好的應(yīng)用前景，不僅在高靈敏度測(cè)量方面有著別的器件無(wú)法比擬的優(yōu)越性，且在數(shù)字電路方面有望開(kāi)發(fā)G-T級(jí)的隨機(jī)存儲(chǔ)器和高速數(shù)字處理器。研究表明，應(yīng)用傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝和材料可以制造單電子電荷效應(yīng)的存儲(chǔ)器。Augke等人最近的工作表明可以用與CMOS技術(shù)相兼容的工藝制造硅摻雜單電子晶體管，而且掩膜的幾何形狀和摻雜濃度對(duì)晶體管的性能有影響。使用CMOS技術(shù)制造單電子晶體管，使得單電子電路向工業(yè)化制造邁出一大步。

目前，單電子晶體管有兩種實(shí)現(xiàn)方案，即金屬-絕緣體型和半導(dǎo)體型，不管是哪一種類型的SET，其基本部分是由介觀尺度（納米）的量子點(diǎn)和隧道結(jié)以及與之相連的宏觀外電極和電源組成，它們都可以等效為一對(duì)勢(shì)壘中間有一個(gè)庫(kù)侖島的物理模型。庫(kù)侖島和勢(shì)壘的尺寸和性質(zhì)對(duì)單電子晶體管的性質(zhì)有很大影響，Verbrugh等人就曾對(duì)單電子晶體管的庫(kù)侖島尺寸進(jìn)行優(yōu)化。

1.SET的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1基本結(jié)構(gòu)

SET從宏觀結(jié)構(gòu)上來(lái)看與MOSFET相似，它是由源極、漏極、柵極和襯底組成，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)卻與MOS-FET完全不同。庫(kù)侖島與周圍絕緣，柵極用來(lái)調(diào)節(jié)庫(kù)侖島的電化學(xué)勢(shì)即控制島中電子數(shù)目，漏源間距離一般為1μm左右，這樣的結(jié)構(gòu)可以完全抑制泄漏電流。兩個(gè)電極與庫(kù)侖島之間分別形成一個(gè)隧道結(jié)（即勢(shì)壘阻擋層）。因此，SET可視為一個(gè)柵控串連雙隧道結(jié)器件。

1.2 SET的工作原理

由于SET是納米電子器件，因此量子效應(yīng)是其工作的基礎(chǔ)。主要體現(xiàn)在如下3個(gè)方面：

（1）庫(kù)侖阻塞效應(yīng)

如果SET的庫(kù)侖島尺寸足夠小且與其周圍外界在電學(xué)上是絕緣的，它與外界之間的電容可小到10-16F。在這種情況下，某個(gè)電子隧穿進(jìn)入該庫(kù)侖島，就必須增加e2/2C的能量以克服庫(kù)侖島中的電子對(duì)它的排斥力。所以要求電子吸收的動(dòng)能kBT（kB為波爾茲曼常數(shù)，T為工作溫度）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其充電能e2/2C。

這樣，一旦某一電子隧穿進(jìn)入庫(kù)侖島，它會(huì)對(duì)隨后而來(lái)的第二個(gè)電子進(jìn)入該庫(kù)侖島起阻擋作用，稱之為庫(kù)侖阻塞現(xiàn)象。

（2）量子隧穿效應(yīng)

當(dāng)電子與某一勢(shì)壘相碰撞，若勢(shì)壘較厚，電子不能穿越勢(shì)壘；當(dāng)勢(shì)壘減至電子的量子力學(xué)波長(zhǎng)（約100 nm）時(shí)，則電子將能穿越該勢(shì)壘而稱為量子隧穿效應(yīng)。

（3）量子尺寸效應(yīng)

制做SET的材料的薄層厚度與電子的量子力學(xué)波長(zhǎng)近似相等時(shí)，在超薄層會(huì)形成電子駐波，只允許特定波長(zhǎng)λg（λg=2Lz/n，n為整數(shù)，Lz是庫(kù)侖島的長(zhǎng)度）或波數(shù)Kg（Kg=2π/λg=nπ/Lz）的電子狀態(tài)存在。這種量子尺寸下的效應(yīng)稱量子尺寸效應(yīng)。此時(shí)電子的固有能量EZ呈離散化分立狀態(tài)，即電子的能級(jí)是簡(jiǎn)并的。

1.3 SET的基本特性

作為納米電子器件，SET的量子效應(yīng)表現(xiàn)為庫(kù)侖振蕩和庫(kù)侖臺(tái)階兩個(gè)基本特性。庫(kù)侖振蕩是指SET的漏源間電導(dǎo)隨柵極偏壓而發(fā)生振蕩。在較小的柵極偏壓范圍內(nèi)，在固定漏源極偏壓時(shí)，表現(xiàn)為漏源電流將隨柵偏壓的變化而振蕩（振蕩周期與庫(kù)侖島的長(zhǎng)度有關(guān)，庫(kù)侖島長(zhǎng)度越長(zhǎng)，振蕩周期越短，則晶體管開(kāi)關(guān)越快）。

在固定的柵壓下，電流隨漏源偏壓呈階梯形變化，稱此為庫(kù)侖臺(tái)階。這種庫(kù)侖臺(tái)階在對(duì)庫(kù)侖島的電測(cè)量中最易觀察到，庫(kù)侖島的和漏源極之間的隧穿勢(shì)壘越高，所觀察的臺(tái)階數(shù)目將越大。

2.SET中電流的分區(qū)描述

在正統(tǒng)理論中，對(duì)隧穿結(jié)僅考慮兩種情況，即環(huán)境電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于量子電阻（）和遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于量子電阻。為抑制量子漲落問(wèn)題，實(shí)際中的隧穿結(jié)電阻應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于量子電阻，在高電阻環(huán)境下，SET中的兩個(gè)隧穿結(jié)上電壓只能有三種情況：均低于臨界電壓；只有一個(gè)高于臨界電壓；均高于臨界電壓。二種情況對(duì)應(yīng)著不同的電流形式，據(jù)此可以將電流劃分為三個(gè)不同的區(qū)域，即：庫(kù)侖阻塞區(qū)、單電子電流區(qū)和高電流區(qū)。

庫(kù)侖阻塞區(qū)：由于兩個(gè)隧穿結(jié)上電壓均低于臨界電壓，忽略熱激隧穿的情況下，該區(qū)電流為零。

單電子電流區(qū)：由于只有一個(gè)隧穿結(jié)滿足隧穿條件，該結(jié)發(fā)生隧穿之后，另一個(gè)結(jié)未必即刻發(fā)生隧穿。

高電流區(qū)：當(dāng)SET處于兩個(gè)隧穿結(jié)上電壓均高于臨界電壓狀態(tài)時(shí)，漏源間會(huì)有一個(gè)連續(xù)的隧穿電流。利用處于不同電流區(qū)域的SET特性，近年來(lái)出現(xiàn)了采用SET進(jìn)行基木邏輯電路、靜電檢測(cè)、遠(yuǎn)紅外線探測(cè)、射頻電路等方而的應(yīng)用。

3.基本特性的仿真分析

SET模型的精確求解是非常困難的，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展為近似求解提供了便利。目前SET的主要分析方法有ME法（主方程法，Master Equation Method）、MC法（蒙特卡羅法，Monte Carlo Method）和Spice法。ME法和MC法的突出優(yōu)點(diǎn)是能夠分析兩個(gè)庫(kù)侖島之間的庫(kù)侖效應(yīng)，而利用傳統(tǒng)器件對(duì)SET建模的Spice方法對(duì)于此卻無(wú)法體現(xiàn)，但ME和MC兩種方法要進(jìn)行大量的復(fù)雜計(jì)算，占用計(jì)算機(jī)時(shí)也長(zhǎng)，極大地影響了其實(shí)用性。當(dāng)電路中的庫(kù)侖島數(shù)目較多時(shí)，兩島間的庫(kù)侖作用極其微弱，可以忽略不計(jì)，這就給了Spice分析法以極好的適應(yīng)性，尤其是適合于SET與傳統(tǒng)器件混合電路的仿真分析，從而為采用SET設(shè)計(jì)各種功能電路提供了可能性和理論依據(jù)。

目前，對(duì)于SET的制備方法、性能分析研究熱日漸升高，特別是由于在微電子領(lǐng)域、光電子領(lǐng)域和量子信息領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值，使得對(duì)SET的基礎(chǔ)理論與運(yùn)用的研究顯得尤為重要，這也是世界大實(shí)驗(yàn)室都將其作為重要研究課題的原因之一。近兩年來(lái)以正統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，提出了依據(jù)實(shí)際物理特性建立SET數(shù)學(xué)模型的方法。由于這些數(shù)學(xué)模型直接針對(duì)SET的相關(guān)物理量進(jìn)行描述，因此相對(duì)簡(jiǎn)化了對(duì)SET I-V特性及具體電路的分析、設(shè)計(jì)及仿真方法。

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