作者Chen1980 (解決地方問題唄)
看板NTU-Archery
標題Re: 轉貼文章--簡介「單電子電晶體」的進展與應用
時間Fri Jul 16 17:55:54 2004
唔....果然隔行如隔山
跨卡霧殺殺
※ 引述《precession (little-boy)》之銘言：
: ※ [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。
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