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単電子トランジスタ(SET)

1986
  • Dmitri Averin
  • Konstantin Likharev
量子ドットとトンネル接合を用いた単電子トランジスタデバイスのエレクトロニクス研究。.

(画像はイメージです)

単一電子 トランジスタ (SET)は、制御された電子トンネル効果を利用して単一電子の流れを操作するスイッチングデバイスです。 量子ドット (「アイランド」)はトンネル接合を介してソースおよびドレインリードに結合され、ゲート電極に容量結合されている。その動作は、 クーロン 遮断効果により、極めて高い感度と低消費電力を実現します。

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 cryogenic temperatures and/or extremely small island capacitance (fF or aF).

ゲート電極はアイランドに容量結合されています。ゲートに電圧[latex]V_g[/latex]を印加することで、アイランドの静電ポテンシャルを精密に調整できます。このゲート電圧を調整することでクーロンブロッケードを克服し、単一の電子がソースからアイランドへ、そしてアイランドからドレインへとトンネル効果によって移動できるようになります。このプロセスは一度に1電子ずつ繰り返すことができます。このように、SETを流れる電流はゲート電圧の関数として鋭いピーク(クーロン振動)を示し、各ピークはアイランドへの電子1個の追加に対応します。これにより、SETは極めて高感度な電位計となり、素電荷のごく一部を検出することが可能になります。

SETは比類のない感度と超低消費電力ロジックの可能性を秘めている一方で、大規模回路への実用化にはいくつかの課題が立ちはだかっています。極低温での動作が求められることは、民生用電子機器にとって大きな障害となっています。さらに、SETの性能は周囲の基板に存在するランダムなバックグラウンド電荷に非常に敏感であり、ゲート電圧特性が予測不能に変化する可能性があります。また、同一のSETを高歩留まりで大規模アレイ状に製造することも極めて困難です。こうした課題にもかかわらず、SETは基礎物理学研究において依然として重要なツールであり、量子ドットの電荷状態が量子ビットを表す量子情報処理のようなニッチな用途への応用が積極的に研究されています。

UNESCO Nomenclature: 2205
電子機器

タイプ

物理デバイス

混乱

実質的な

使用法

ニッチ/専門分野

前駆物質

  • 電子の発見
  • 量子トンネル効果の概念
  • 電界効果トランジスタ(FET)の発明
  • 量子ドットの開発
  • クーロンブロッケード理論

アプリケーション

  • 高感度電位計
  • 単一光子検出器
  • 量子コンピューティング(量子ビット)の研究
  • 低温物理実験
  • 電流の計測基準

特許:

NA

潜在的なイノベーションのアイデア

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関連キーワード:単電子トランジスタ、SET、クーロンブロッケード、量子ドット、トンネル接合、量子コンピューティング、電位計、ナノエレクトロニクス。

歴史的背景

単電子トランジスタ(SET)

1980
1980
1984
1986
1986
1991
1995
1980
1980
1984
1985
1986
1990
1994
1997

(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)

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