Завдання до виконання лабораторної роботи

ЛАБОРАТОРНА РАБОТА № 1

Статичні характеристики наноприладу з одним тунельним переходом

Мета роботи: Дослідити статичні характеристики тунельного переходу з урахуванням впливу кулонівської блокади.

Фізико-теоретичні відомості

Прогрес у фізичній електроніці перш за все пов'язаний зі створенням наноприладів, в яких контролюється переміщення навіть одного електрона.

Принцип дії одноектронних компонентів базується на механізмах тунелювання і блокування електронів. Теоретична межа часу переміщення електрона скрізь потенційний бар’єр не перевищує 10пс, що відповідає швидкодії у сотні терагерц (10¹⁴Гц), при енергоспоживанні у одиниці нановат (10^-9 Вт). Інколи прилади одноелектроніки називають нанотераприладами. У цифровій одноелектроніці біт інформації кодується одним електроном.

Тунельний перехід існує в діелектричній підкладці між двома напівпровідниковими чи металічними гранулами (кулонівськими острівцями) діаметром приблизно 5 нм, які сформовані на її поверхні на відстані (1…10) нм один від одного (рис.11).

Рис.11.1. Еквівалентна схема тунельного переходу RC з одним кулонівським острівцем KO та з урахуванням ємності контактів C_к

Якщо ємність цієї системи є C, то її електростатична енергія має дві cкладові:

(11.1)

де Кл — елементарний заряд електрона та —початковий поляризаційний (фоновий) заряд на тунельному переході.

Повинні виконуватись дві умови тунелювання. Мінімальне дискретне значення енергії має суттєво перевищувати температурні:

(11.2)

та квантові флуктуації:

(11.3)

де Дж К^-1 — стала Больцмана, — абсолютна температура, — стала Планка та — квантовий (фундаментальний) опір.

Для тунелювання електронів необхідно подолати сили їх поляризаційної взаємодії. Кулонівська блокада — це явище відсутності електричного струму при прикладанні зовнішньої напруги до переходу через неможливість тунелювання електронів під впливом кулонівського відштовхування. Величина напруги подолання кулонівської блокади дорівнює:

(11.4)

Отже, накопичення заряду на кулонівському острівці, більшого за , викликає тунелювання одного додаткового електрону через перехід. З наростанням напруги продовжується тунелювання наступного і т.д. електронів, а на ВАХ одноелектронного приладу спостерігаються так звані «кулонівські сходи». Цей процес повторюється періодично з частотою одноелектронних осциляцій:

(11.5)

де — струм через перехід.

Загальні відомості про графічний інтерфейс програми Simon 1.1

Рис.1. Робоче вікно програми Simon 1.1.

Рис. 2. Вікно налаштувань програми Simon 1.1.

Завдання до виконання лабораторної роботи

1. На робочому столі автоматизованої системи SIMON створити експериментальну наносхему дослідження одноелектронного приладу, як показано на рис. 11.2.

Рис. 11.2. Експериментальна наносхема дослідження статичних характеристик одноелектронного приладу

2. Дослідити її статичні характеристики, які для прикладу побудовані на рис. 11.3.

3. Дослідити вплив змін температури , опору та ємності тунельного переходу на характеристики наносхеми.

а) б)

в) г)

Рис. 11.3. Результати моделювання вхідної напруги (а), статичних характеристик напруги (б) та заряду (в) тунельного переходу одноелектронного приладу і вихідної напруги (г) наносхеми