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单电子晶体管(SET)

1986
  • Dmitri Averin
  • Konstantin Likharev
电子学研究中带有量子点和隧道结的单电子晶体管设备。

(图片仅供参考)

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 (the ‘island’) coupled to source and drain leads via tunnel junctions, and capacitively coupled to a gate electrode. Its operation relies on the 库仑 blockade effect, enabling extreme sensitivity and low power consumption.

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。

UNESCO Nomenclature: 2205
- 电子产品

类型

物理设备

中断

重大的

用法

小众/专业

前体

  • 电子的发现
  • 量子隧穿的概念
  • 场效应晶体管(FET)的发明
  • 量子点的发展
  • 库仑阻塞理论

应用程序

  • 高灵敏度静电计
  • 单光子探测器
  • 量子计算(量子位)研究
  • 低温物理实验
  • 电流计量标准

专利:

NA

潜在创新理念

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相关内容: 单电子晶体管、SET、库仑封锁、量子点、隧道结、量子计算、电磁计、纳米电子学。

历史背景

单电子晶体管(SET)

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

(如果日期未知或不相关,例如“流体力学”,则提供其显著出现的近似估计)

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