作者Chen1980 (解决地方问题呗)
看板NTU-Archery
标题Re: 转贴文章--简介「单电子电晶体」的进展与应用
时间Fri Jul 16 17:55:54 2004
唔....果然隔行如隔山
跨卡雾杀杀
※ 引述《precession (little-boy)》之铭言：
: ※ [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。
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