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Transistor à un seul électron (SET)

1986
  • Dmitri Averin
  • Konstantin Likharev
Dispositif de transistor à électron unique avec point quantique et jonctions tunnel dans la recherche électronique.

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

Un seul électron 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 Coulomb 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 cryogénique températures et/ou capacité insulaire extrêmement petite (fF ou aF).

Une électrode de grille est couplée capacitivement à l'îlot. En appliquant une tension Vg à la grille, le potentiel électrostatique de l'îlot peut être ajusté avec précision. Cette tension de grille permet de surmonter le blocage de Coulomb, autorisant ainsi un électron à traverser la barrière de potentiel par effet tunnel, de la source à l'îlot, puis de l'îlot au drain. Ce processus peut être répété électron par électron. Le courant traversant le transistor à effet tunnel (SET) présente alors des pics marqués (oscillations de Coulomb) en fonction de la tension de grille, chaque pic correspondant à l'ajout d'un électron à l'îlot. Ceci confère au SET une sensibilité extrême, lui permettant de détecter des fractions de charge élémentaire.

Bien que les SET offrent une sensibilité et un potentiel inégalés pour la logique ultra-basse consommation, leur application pratique dans les circuits à grande échelle est entravée par plusieurs défis. L'exigence de températures très basses constitue un obstacle majeur pour l'électronique grand public. De plus, leurs performances sont très sensibles aux charges de fond aléatoires du substrat environnant, ce qui peut modifier de manière imprévisible les caractéristiques de la tension de grille. La fabrication de grands réseaux de SET identiques avec un rendement élevé est également extrêmement difficile. Malgré ces obstacles, ils restent un outil essentiel pour la recherche en physique fondamentale et sont activement explorés pour des applications de niche comme le traitement de l'information quantique, où l'état de charge d'une boîte quantique peut représenter un qubit.

UNESCO Nomenclature: 2205
- Électronique

Taper

Dispositif physique

Perturbation

Substantiel

Usage

Créneau/spécialité

Précurseurs

  • découverte de l'électron
  • concept de tunnel quantique
  • invention du transistor à effet de champ (FET)
  • développement des points quantiques
  • theory of coulomb blockade

Applications

  • électromètres hautement sensibles
  • détecteurs à photons uniques
  • recherche en informatique quantique (qubits)
  • expériences de physique à basse température
  • normes de métrologie pour le courant électrique

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

  • neuromorphique chips where SETs mimic synaptic ion channels
  • processeurs ultra-basse consommation pour sondes spatiales lointaines
  • calorimètres sur puce mesurant l'énergie de réactions chimiques individuelles
  • antennes quantiques sensibles aux photons uniques
  • circuits logiques fonctionnant sur un effet tunnel électronique probabiliste pour le calcul stochastique
  • capteurs de charge auto-étalonnés pour la métrologie
  • amplificateurs cryogéniques pour la lecture de qubits supraconducteurs
  • mélangeurs de signaux haute fréquence fonctionnant au niveau d'un seul électron
Related to: single-electron transistor, SET, coulomb blockade, combien donnes-tu, tunnel junction, quantum computing, electrometer, nanoelectronics.

Contexte historique

Transistor à un seul électron (SET)

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

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)

10e année anniversaire

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