※ [本文轉錄自 NTU-Karate 看板] 作者: precession (little-boy) 看板: NTU-Karate 標題: 轉貼文章--簡介「單電子電晶體」的進展與應用 時間: Fri Jul 16 08:41:08 2004 新的電晶體　　 簡介「單電子電晶體」的進展與應用 陳啟東（中研院物理所） 2003.10.19　中國時報 在這個要求體積小、消耗功率小的電子元件的時代， 單電子電晶體 （簡稱SET） 將成為本世紀新一代最重要的奈米電子元件之一。 半個多世紀以來，「電晶體」的發明導致今天半導體科技的發展，也 帶動了資訊、通訊等相關產業的蓬勃。至今，減少電晶體的尺寸與增 快調變的速度，已成為半導體產業發展的目標。但是，當元件尺寸持 續的縮小達到奈米尺度時，量子效應即成為主導元件特性的主要因素。 此外，現今單一晶片上已可含納上千萬個電晶體，其消耗功率所產生 的熱能要如何排放，也成為棘手的問題。因此，以創新概念設計新的 電晶體元件有其必要性與急迫性。「單電子電晶體」(Single Electron Transistor)具有低消耗功率及異常高的電荷靈敏度的優點，已成為 下一世代偵測器、邏輯電路及量子電腦等產品開發上的主要元件。 日本NTT團隊 室溫SET研究有突破 單電子電晶體 (簡稱SET)是一種有源極(Source), 汲極(Drain)及閘極 (Gate)的三極體。它與一般的場效應電晶體(FET)同樣的，可經由閘極 電壓形成的電場來控制源、汲極間的電流。如圖一所示，SET主要是由 中央島(island)透過二個可讓電子穿透的微小接合(tunnel junction) 連結至電極所構成的。由於中央島的尺寸極小，把一個電子放進這個島 中會把這個島的電位能提高 。 為了要讓一個電子進入這個島須要付出這個能量，所以在很小的偏壓下 電子是進不去的，這個現象稱為「庫倫阻斷」(Coulomb blockade)，也 就是一個有電壓但無電流的狀態。如果把偏壓固定在於一個小偏壓時， 改變閘極電壓可控制電晶體的電流作週期震盪，每一個震盪代表中央島 的電子個數增加或減少一個。庫倫阻斷與庫倫震盪兩種現象統稱為「電 荷效應」(charging effect)。 目前的SET必須在低溫下操作，才能呈現其特殊功能。主要是因為高溫 時將造成的二種效應，會破壞SET的特性：其一促使電子穿透而模糊了 庫倫阻斷的特性；另一是造成多餘電子數的熱擾動。提高SET工作溫度 是目前最主要的研究課題，唯有如此才能真正突顯SET的應用價值。欲 達成此一目標，必須要中央島的尺寸能小於10奈米。應用最先進的矽材 料氧化、蝕刻等製程技術，已可在實驗室達成此一目標。 最近，日本NTT團隊在SOI (Silicon on Insulator)矽基板上，也能製 做出室溫矽的SET。NTT團隊在室溫SET研究的突破，使得SET邏輯電路的 發展可以實現。NTT團隊利用藉由閘極電壓調變中央島內化學位能，以 使源-汲極電流產生震盪變化，而證實了SET邏輯電路的可行性。 SET也能當作光子偵測器 此外，SET研究還有其他的附帶收穫。偵測巨觀機械震盪器的量子效應 是科學家長期的目標，若能發展具有測量位移量子極限靈敏的偵測器， 將會有相當大的應用價值。其主要應用是可以精密偵測微弱力的變化， 且能轉換成位移量。而SET就具備有此量子極限的靈敏度。 加州大學Santa Barbara分校物理系的研究團隊，最近製作一個共振 頻率為116百萬兆赫(116-MHz)的機械震盪器，如圖二所示。在絕對溫 度0.03度的極低溫，利用SET當作位移感測器，得到極高的靈敏度。 SET不只能當位移感測器，也能當作光子偵測器，這主要是利用光子發 射進偵測器產生電荷變化，因而造成庫輪震盪曲線移動，故只要固定 某一個閘極電壓，當光子入射進偵測器時，記錄偏移量即可得知光子 數量。 利用超導單電子箱的結構廣受重視 最後，再談談SET對量子電腦研究的影響。近幾年來科學家對量子電腦 的實現充滿極大興趣與信心。量子電腦的基本單元為量子位元(quantum bit) ，量子位元的成立條件是可以做任意方式疊加(superposition)的 雙能階系統(two-level system)。此一任意方式疊加的特性正是古典位 元和量子位元的差異處。想像一質點放置於W形位能井中。 在古典物理中，該質點可以在左或右兩個谷底獲得穩定狀態，但其僅能 存在左或右兩個位能井中的一個，然而相同的模型在考慮量子現象時， 必須考慮質點能夠穿隧中央位能障壁的事實。當中央位能障壁無限高的 情況下，系統在左邊和右邊位能井各有一量子狀態。 當中央位能障壁降 低時，質點開始能夠穿隧中央位能障壁。 因此真正的物理狀態無法區分左或右位能井，而形成任意可能的疊加態。 要進一步進行量子計算則必須同時控制多個量子位元，利用彼此之間 耦合形成纏繞態(entangled states)，來展示邏輯運算。目前在實現 量子電腦的研究中，利用超導單電子箱的結構廣受重視，潛力無窮。 由於SET具有量子極限的靈敏度，所以不只可以當作偵測器，還可以作 為固態量子電腦的讀取元件。利用超導SET來量測電荷位元，其工作原 理大抵是利用量測其傳輸性質（也就是系統受到外界電場後的反應）， 來決定元件的量子狀態。例如電流訊號代表電荷的傳導，而電壓訊號 代表磁通的傳導 。 就SET而言，直接的電性量測速度很慢。我們可以設計一個包含SET的 高頻共振腔，那麼SET的阻抗變化應該會改變高頻共振腔的共振頻率。 如果我們能夠使共振腔的共振頻率達到微波頻率，便可以運用微波技 術將SET的量測速度提高到微波頻率。這樣的觀念做出來的偵測器，稱 為高頻單電子電晶體(RF-SET)，它實際上已然是一種高速量子位元的 讀取裝置。 總而言之，SET開創了一個嶄新的研究領域，讓我們能用一個巨觀的系 統，觀測並控制單一個電子的行動。雖然此一領域發展的時間相當短， 但是不論在基礎研究或應用領域都有突破性的進展。因此，在這個要 求體積小、消耗功率小的電子元件的時代，預期SET將成為21世紀新 一代最重要的奈米電子元件之一。 -- 曾經滄海難為水 除卻巫山不是雲 取次花叢懶回顧 半緣修道半緣君 --

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