Принцип действия одноэлектронного транзистора

Одноэлектронный транзистор представляет собой трехэлектродный переключающий прибор, в котором электроны «поштучно» переносятся от истока к стоку через разделяющую их квантовую точку – «наноостров», электронные состояния в котором могут электростатически изменяться под воздействием напряжения на затворе. Транзистор имеет три электрода: исток, сток и затвор (рис. 3.44а). В области между электродами располагаются два туннельных перехода «исток-наноостров» и «сток-наноостров, Наноостров НО представляет собой наночастицу или кластер нанометровых размеров, изолированный от электродов диэлектрическими слоями, через которые при определенных условиях может происходить туннелирование электрона. Электрический потенциал такого «острова» может регулироваться изменением напряжения на затворе, с которым «остров» связан емкостной связью.

Рис. 3.44. Структурная схема одноэлектронного транзистора

Если напряжение между истоком и стоком меньше «кулоновского зазора» U_К, то ток через транзистор протекать не будет, поскольку электроны заблокированы на наночастице. Когда потенциал на затворе станет больше некоторого порогового значения, кулоновская блокада прорвется – электрон пройдет через барьер, и в цепи исток-сток начнет протекать ток. Следует отметить, что наноостров играет в транзисторе роль квантово-размерного проводящего канала, в котором энергия электронов имеет дискретный характер (рис. 3.45). Туннелирование электрона из истока в канал возможно лишь при условии, что уровень Ферми в истоке совпадает с энергией свободного одноэлектронного состояния в канале (резонансное туннелирование). Поскольку положение одноэлектронных уровней зависит от потенциала затвора, то электрическая проводимость канала отлична от нуля при различных дискретных значениях напряжения на затворе.

а) б)

Рис. 3.45. Энергетические уровни истока И, проводящего канала (наноострова НО) и стока С в одноэлектронном транзисторе: а) закрыто состояние; б) проводящее состояние

Если уровень Ферми электрода истока находится ниже свободного электронного уровня в наноострове, то туннелирование электрона из истока в наноостров не происходит (рис. 3.45а). Когда к затвору прикладывается положительный потенциал, энергетические уровни на острове понижаются. При некотором напряжении на затворе создаются условия для резонансного туннелирования. Электрон переходит на наноостров, занимая свободный энергетический уровень (переход 1 → 2 на рис. 3.45б). Отсюда он может туннелировать на сток (переход 2 → 3), где он неупруго рассеивается, после чего переходит на уровень, близкий уровню Ферми стока (переход 3 → 4). Таким образом, управляя напряжением на затворе, можно в принципе пропускать по цепи единичные электроны. Если вместо наночастицы поместить между электродами молекулу или молекулярный комплекс, то движение электронов будет осуществляться в результате прыжков по химическим связям – в работу вступят дискретные уровни энергии молекулы. Таким образом, одноэлектронный транзистор можно рассматривать как предельная степень миниатюризации классического полевого транзистора.