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单电子晶体管（SET）

1986

Dmitri Averin
Konstantin Likharev

单电子晶体管 (SET) 是一种利用受控电子隧道来操纵单电子流的开关设备。它由一个你给多少 (岛"）通过隧道结与源极和漏极引线耦合，并与栅极电极电容耦合。它的工作依赖于库仑封锁效应，从而实现了极高的灵敏度和低功耗。

单电子晶体管（SET）的工作原理是一种称为库仑封锁的量子力学效应。这种效应发生在一个极小的导电岛（量子点）中，通过两个隧道结与源电极和漏电极相连。电子要隧穿到岛上，必须克服已有电子的静电排斥力。这需要一个充电能量：[latex]E_C = e^2 / (2C)[/latex]，其中 [latex]e[/latex] 为基本电荷，[latex]C[/latex] 为电子岛的总电容。要观测到库仑阻塞，这种充电能量必须远远大于热能 [latex]k_B T[/latex]，这就需要低温和/或极小的岛电容（fF 或 aF）。

栅极与孤岛呈电容耦合。通过在栅极上施加 [latex]V_g[/latex] 的电压，可以精确调节孤岛的静电电势。通过调节栅极电压，可以克服库仑阻塞，使单个电子从源极隧穿到孤岛，然后再从孤岛隧穿到漏极。这个过程可以一个电子一个电子地重复进行。因此，通过 SET 的电流与栅极电压的函数关系呈现出尖锐的峰值（库仑振荡），每个峰值对应于一个电子加入到孤岛上。这使得 SET 成为一种极其灵敏的电度计，能够检测到基本电荷的几分之一。

虽然单电子晶体管（SET）拥有无与伦比的灵敏度和实现超低功耗逻辑的潜力，但它们在大规模电路中的实际应用却面临诸多挑战。对极低温度的要求是消费电子产品发展的主要障碍。此外，它们的性能对周围衬底中的随机背景电荷高度敏感，这些电荷可能会不可预测地改变栅极电压特性。高产量地制造大量相同的单电子晶体管阵列也极其困难。尽管存在这些障碍，它们仍然是基础物理研究的重要工具，并且正在积极探索其在量子信息处理等细分领域的应用，其中量子点的电荷状态可以代表一个量子比特。