单电子现象及产生条件
•单电子现象
–单电子控制的历史
–固态单电子现象
–单电子晶体管
•单电子现象产生条件
–基本条件
–条件之一
–条件之二
•制造工艺
–扫描探针
–半导体刻蚀技术
固态单电子现象
•如果岛增加一个过剩电子,静电能EC=e2/2C 大于热涨落能量，其结果就会影响结构的电荷输运
•这是一种由于单个电子的电荷而影响结构输运的现象，故称为单电子现象
•岛中的过剩电荷阻止隧道结导通或其余电荷再进入岛中的现象称为库仑阻塞（Coulomb blockade ）
单电子晶体管（SET）
•单电子晶体管（Single-electron transistors）是利用能够通过栅极调节库仑阻塞效应的结构
•金属单电子晶体管
–金属－绝缘体（氧化层）－金属岛
–正常态和超导态之间的金属岛（1994）
上图：SET结构示意图下图：钛－氧化钛SET
库间隙
•由于岛内过剩电荷的存在会产生库仑作用，使得在一定范围内的源漏偏置电压下没有隧穿现象（即电流为零）。
•这个源漏偏置电压范围称为系统的库仑间隙（Coulomb gap）
•也就是产生库仑阻塞的偏置电压范围
•在纳米尺度的隧道结系统中，可以产生相当大的库仑间隙。
库仑台阶（Coulomb staircase）
•在低偏置电压，岛中电荷数n=0是稳定的，高于阈值电压使岛中增加或减少一个电荷都会导致不稳定，引起隧穿（导通）。
•偏压升高，n=1的态也要起到导通作用，导致有更多电子通过，电流增强。
库仑台阶•形成一系列的阈值电压(),21/thnVneC=+每当电压升高超过一个阈值电压，就有一个电子态参与导通，打开一个通道，I-V曲线形成库仑台阶。
单隧道结的库仑阻塞•单隧道结•库仑阻塞条件•超出库仑阻塞，电流通过隧道结，电容器电荷线性增加，达到阈值电荷e/2，产生隧穿电荷跃变为-e/2。•其结果电流偏置单隧道结的电压出现振荡，频率为f = I / e•下一节将用能量方法分析单电子器件22eeQ−<<22eeVCC−<<22QEC=
单电子器件目录
–单电子器件概述
–单电子盒
–单电子陷阱
–单电子晶体管
–单电子旋转门
–单电子泵
单电子器件
•利用单电子现象中的库仑阻塞效应为基本工作原理已经设计和制造出多种单电子器件
•单电子器件及其各种应用构成了电子学的一个新的领域——单电子学（Single Electronics）
•单电子学与传统电子学相比有如下特点：
－在传统电子学的器件中，载流子输运表现为电流
－单电子学的电荷输运可表现出电荷的离散性
小隧道结电路分析思路•单电子器件及其电路均包含有小隧道结和岛•通过电荷构型做电路分析–电荷构型是由每个隧道结电容充电电荷及每个岛中的电荷数所决定–电荷构型决定隧道结系统能量，能量最小值为系统稳定态。•从一个构型到另一个构型的变化将可以通过自由能的变化来分析•按照能量守恒要求，自由能的变化应等于电源所作的功。
小隧道结电路的电荷构型
•包含N个隧道结的电路
•N-1个岛中过剩电荷的数目的集合（n1,n2,…,nN-1）与通过两端隧道结电子数目之和n0给出器件的电荷构型
如果一个构型可以从通过从一个岛到另一个岛的单一隧穿事件变到另一构型，这两个构型称为相邻构型。
XIDIAN506LAB
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单电子陷阱（Single-Electron Trap）
•单电子盒改进方法一：
–是用被隧道势垒分开的N>1个岛的1D阵列代替单隧道结，新的结构称为单电子陷阱。
•新系统的特征是内部记忆特性（双或多稳态）,在一定的栅压范围内，系统可以处于其边沿陷阱岛的两个（或多个）电荷态之一。
单电子陷阱分析
•单电子陷阱可以看作是不可逆单电子盒
•设两个完全相同的隧道结组成的单电子陷阱，偏置电路如图所示。
•当岛不包含额外电子时，两个隧道结具有同样的电荷。
()ccQQe>−两个隧道结与电容器和电压源串联的电子陷阱电路，两个隧道结之间的岛在局域稳定构形中不能够充电•如果电荷超过临界电荷Qc，一个隧道结就发生隧穿事件•隧穿之后，构型不再稳定，因为第二个隧道结的电荷现在等于•在这个隧道结就要有隧穿事件发生，能量转换为电子的动能。()2/ceQeC−
单电子陷阱能量分析•能量随着隧穿事件数目变化•陷阱岛中电子为整数时，能量出现
势阱。•势阱对应陷阱岛中电荷数为0，1，2，3 等
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一个额外电子对应的静电能作为其位置的函数，三条曲线对应于三个不同的栅压。
一个额外电子在不同位置的静电能从图中可以看出一个电荷在单电子陷阱不同的岛中其静
电能是不相同的，因此电荷构型演化静电能不守恒。
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陷阱中的电荷随偏置变化
•由于电荷构型演化，总静电能不守恒，所以，对于控制电压来说过程是不可逆的（否则将违反能量守恒）。
•图中给出局域稳定构形
•在不同的控制电压U值，局域稳定构形不是唯一的，与单电子盒情况不同。
•当U变化的时候，电子构型的演化有滞后。
•在同一个U值不能发生一个电子的进入和退出
•在主要岛中就有可能发生“俘获”电子
用n标记不同构型局域稳区域
单电子晶体管（SET）
•单电子盒第二个缺陷可用图示单电子晶体管结构弥补
•器件的源、漏极之间加上dc电压V
•单电子晶体管是单电子学领域中最重要的器件
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