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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) es un dispositivo de conmutación que utiliza la tunelización controlada de electrones para manipular el flujo de electrones individuales. Consta de un ¿Cuánto das? (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.

El transistor de un solo electrón (SET) funciona gracias a un efecto mecánico cuántico denominado bloqueo de Coulomb. Este efecto se produce en una isla conductora muy pequeña (un punto cuántico) conectada a los electrodos de origen y drenaje a través de dos uniones túnel. Para que un electrón haga un túnel hacia la isla, debe superar la repulsión electrostática de los electrones ya presentes. Esto requiere una energía de carga, [latex]E_C = e^2 / (2C)[/latex], donde [latex]e[/latex] es la carga elemental y [latex]C[/latex] es la capacitancia total de la isla. Para que el bloqueo de Coulomb sea observable, esta energía de carga debe ser significativamente mayor que la energía térmica, [latex]k_B T[/latex], lo que requiere temperaturas criogénicas y/o una capacitancia de la 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
  • teoría del bloqueo de Coulomb

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

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Relacionado con: transistor de un solo electrón, SET, bloqueo coulombiano, punto cuántico, unión túnel, informática cuántica, electrómetro, nanoelectrónica.

Contexto histórico

Transistor de un solo electrón (SET)

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1984
1986
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1991
1995
1980
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1990
1994
1997

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

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