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Transistor de un solo electrón (SET)

1986
  • Dmitri Averin
  • Konstantin Likharev
Dispositivo de transistor de un solo electrón con punto cuántico y uniones túnel en investigación electrónica.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

Un solo electrón Transistor (SET) is a switching device that uses controlled electron tunneling to manipulate the flow of single electrons. It consists of a quantum dot (the ‘island’) coupled to source and drain leads via tunnel junctions, and capacitively coupled to a gate electrode. Its operation relies on the Culombio blockade effect, enabling extreme sensitivity and low power consumption.

The Single-Electron Transistor (SET) operates based on a quantum mechanical effect called the Coulomb blockade. This effect occurs in a very small conductive island (a quantum dot) connected to source and drain electrodes through two tunnel junctions. For an electron to tunnel onto the island, it must overcome the electrostatic repulsion from the electrons already present. This requires a charging energy, [latex]E_C = e^2 / (2C)[/latex], where [latex]e[/latex] is the elementary charge and [latex]C[/latex] is the total capacitance of the island. For the Coulomb blockade to be observable, this charging energy must be significantly larger than the thermal energy, [latex]k_B T[/latex], which necessitates criogénico temperaturas y/o capacitancia de isla extremadamente pequeña (fF o aF).

Un electrodo de puerta está acoplado capacitivamente a la isla. Aplicando un voltaje [latex]V_g[/latex] a la puerta, el potencial electrostático de la isla puede ajustarse con precisión. Este voltaje de puerta puede ajustarse para superar el bloqueo de Coulomb, permitiendo que un solo electrón haga un túnel desde la fuente a la isla, y luego desde la isla al drenaje. Este proceso puede repetirse electrón a electrón. De este modo, la corriente a través de la SET presenta picos agudos (oscilaciones de Coulomb) en función de la tensión de puerta, y cada pico corresponde a la adición de un electrón a la isla. Esto convierte a la SET en un electrómetro extremadamente sensible, capaz de detectar fracciones de una carga elemental.

Si bien los SET ofrecen una sensibilidad y un potencial incomparables para la lógica de consumo ultrabaja, su aplicación práctica en circuitos a gran escala se ve obstaculizada por varios desafíos. El requisito de temperaturas muy bajas constituye un obstáculo importante para la electrónica de consumo. Además, su rendimiento es muy sensible a las cargas de fondo aleatorias en el sustrato circundante, que pueden modificar de forma impredecible las características del voltaje de puerta. Fabricar grandes conjuntos de SET idénticos con alto rendimiento también es extremadamente difícil. A pesar de estos obstáculos, siguen siendo una herramienta vital en la investigación de la física fundamental y se están explorando activamente para aplicaciones específicas como el procesamiento de información cuántica, donde el estado de carga de un punto cuántico puede representar un cúbit.

UNESCO Nomenclature: 2205
- Electrónica

Tipo

Dispositivo físico

Ruptura

Sustancial

Uso

Nicho/Especialización

Precursores

  • descubrimiento del electrón
  • concepto de tunelización cuántica
  • invención del transistor de efecto de campo (FET)
  • desarrollo de puntos cuánticos
  • theory of coulomb blockade

Aplicaciones

  • electrómetros de alta sensibilidad
  • detectores de fotón único
  • Investigación en computación cuántica (qubits)
  • experimentos de física de baja temperatura
  • patrones de metrología para corriente eléctrica

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

  • neuromórfico chips where SETs mimic synaptic ion channels
  • procesadores de consumo ultrabajo para sondas espaciales profundas
  • Calorímetros en chip que miden la energía de reacciones químicas individuales
  • Antenas cuánticas sensibles a fotones individuales
  • Circuitos lógicos que operan con tunelización electrónica probabilística para computación estocástica.
  • sensores de carga autocalibrables para metrología
  • Amplificadores criogénicos para leer qubits superconductores
  • mezcladores de señales de alta frecuencia que operan a nivel de un solo electrón
Related to: single-electron transistor, SET, coulomb blockade, ¿Cuánto das?, tunnel junction, quantum computing, electrometer, nanoelectronics.

Contexto histórico

Transistor de un solo electrón (SET)

1980
1980
1984
1986
1986
1991
1994
1980
1980
1984
1985
1986
1990
1993-01-01
1995

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

décimo año aniversario

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