※ [本文转录自 NTU-Karate 看板] 作者: precession (little-boy) 看板: NTU-Karate 标题: 转贴文章--简介「单电子电晶体」的进展与应用 时间: Fri Jul 16 08:41:08 2004 新的电晶体　　 简介「单电子电晶体」的进展与应用 陈启东（中研院物理所） 2003.10.19　中国时报 在这个要求体积小、消耗功率小的电子元件的时代， 单电子电晶体 （简称SET） 将成为本世纪新一代最重要的奈米电子元件之一。 半个多世纪以来，「电晶体」的发明导致今天半导体科技的发展，也 带动了资讯、通讯等相关产业的蓬勃。至今，减少电晶体的尺寸与增 快调变的速度，已成为半导体产业发展的目标。但是，当元件尺寸持 续的缩小达到奈米尺度时，量子效应即成为主导元件特性的主要因素。 此外，现今单一晶片上已可含纳上千万个电晶体，其消耗功率所产生 的热能要如何排放，也成为棘手的问题。因此，以创新概念设计新的 电晶体元件有其必要性与急迫性。「单电子电晶体」(Single Electron Transistor)具有低消耗功率及异常高的电荷灵敏度的优点，已成为 下一世代侦测器、逻辑电路及量子电脑等产品开发上的主要元件。 日本NTT团队 室温SET研究有突破 单电子电晶体 (简称SET)是一种有源极(Source), 汲极(Drain)及闸极 (Gate)的三极体。它与一般的场效应电晶体(FET)同样的，可经由闸极 电压形成的电场来控制源、汲极间的电流。如图一所示，SET主要是由 中央岛(island)透过二个可让电子穿透的微小接合(tunnel junction) 连结至电极所构成的。由於中央岛的尺寸极小，把一个电子放进这个岛 中会把这个岛的电位能提高 。 为了要让一个电子进入这个岛须要付出这个能量，所以在很小的偏压下 电子是进不去的，这个现象称为「库伦阻断」(Coulomb blockade)，也 就是一个有电压但无电流的状态。如果把偏压固定在於一个小偏压时， 改变闸极电压可控制电晶体的电流作周期震荡，每一个震荡代表中央岛 的电子个数增加或减少一个。库伦阻断与库伦震荡两种现象统称为「电 荷效应」(charging effect)。 目前的SET必须在低温下操作，才能呈现其特殊功能。主要是因为高温 时将造成的二种效应，会破坏SET的特性：其一促使电子穿透而模糊了 库伦阻断的特性；另一是造成多余电子数的热扰动。提高SET工作温度 是目前最主要的研究课题，唯有如此才能真正突显SET的应用价值。欲 达成此一目标，必须要中央岛的尺寸能小於10奈米。应用最先进的矽材 料氧化、蚀刻等制程技术，已可在实验室达成此一目标。 最近，日本NTT团队在SOI (Silicon on Insulator)矽基板上，也能制 做出室温矽的SET。NTT团队在室温SET研究的突破，使得SET逻辑电路的 发展可以实现。NTT团队利用藉由闸极电压调变中央岛内化学位能，以 使源-汲极电流产生震荡变化，而证实了SET逻辑电路的可行性。 SET也能当作光子侦测器 此外，SET研究还有其他的附带收获。侦测巨观机械震荡器的量子效应 是科学家长期的目标，若能发展具有测量位移量子极限灵敏的侦测器， 将会有相当大的应用价值。其主要应用是可以精密侦测微弱力的变化， 且能转换成位移量。而SET就具备有此量子极限的灵敏度。 加州大学Santa Barbara分校物理系的研究团队，最近制作一个共振 频率为116百万兆赫(116-MHz)的机械震荡器，如图二所示。在绝对温 度0.03度的极低温，利用SET当作位移感测器，得到极高的灵敏度。 SET不只能当位移感测器，也能当作光子侦测器，这主要是利用光子发 射进侦测器产生电荷变化，因而造成库轮震荡曲线移动，故只要固定 某一个闸极电压，当光子入射进侦测器时，记录偏移量即可得知光子 数量。 利用超导单电子箱的结构广受重视 最後，再谈谈SET对量子电脑研究的影响。近几年来科学家对量子电脑 的实现充满极大兴趣与信心。量子电脑的基本单元为量子位元(quantum bit) ，量子位元的成立条件是可以做任意方式叠加(superposition)的 双能阶系统(two-level system)。此一任意方式叠加的特性正是古典位 元和量子位元的差异处。想像一质点放置於W形位能井中。 在古典物理中，该质点可以在左或右两个谷底获得稳定状态，但其仅能 存在左或右两个位能井中的一个，然而相同的模型在考虑量子现象时， 必须考虑质点能够穿隧中央位能障壁的事实。当中央位能障壁无限高的 情况下，系统在左边和右边位能井各有一量子状态。 当中央位能障壁降 低时，质点开始能够穿隧中央位能障壁。 因此真正的物理状态无法区分左或右位能井，而形成任意可能的叠加态。 要进一步进行量子计算则必须同时控制多个量子位元，利用彼此之间 耦合形成缠绕态(entangled states)，来展示逻辑运算。目前在实现 量子电脑的研究中，利用超导单电子箱的结构广受重视，潜力无穷。 由於SET具有量子极限的灵敏度，所以不只可以当作侦测器，还可以作 为固态量子电脑的读取元件。利用超导SET来量测电荷位元，其工作原 理大抵是利用量测其传输性质（也就是系统受到外界电场後的反应）， 来决定元件的量子状态。例如电流讯号代表电荷的传导，而电压讯号 代表磁通的传导 。 就SET而言，直接的电性量测速度很慢。我们可以设计一个包含SET的 高频共振腔，那麽SET的阻抗变化应该会改变高频共振腔的共振频率。 如果我们能够使共振腔的共振频率达到微波频率，便可以运用微波技 术将SET的量测速度提高到微波频率。这样的观念做出来的侦测器，称 为高频单电子电晶体(RF-SET)，它实际上已然是一种高速量子位元的 读取装置。 总而言之，SET开创了一个崭新的研究领域，让我们能用一个巨观的系 统，观测并控制单一个电子的行动。虽然此一领域发展的时间相当短， 但是不论在基础研究或应用领域都有突破性的进展。因此，在这个要 求体积小、消耗功率小的电子元件的时代，预期SET将成为21世纪新 一代最重要的奈米电子元件之一。 -- 曾经沧海难为水 除却巫山不是云 取次花丛懒回顾 半缘修道半缘君 --

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