بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي و تحليل مداري تونل زني در ترانزيستور تک الکتروني (٢٠١٢ ICNE)
چکيده – ترانزيستور تک الکتروني مهم ترين قطعه اي است که در علم نانوالکترونيک اختراع شده است و در صورت توليد اين ترانزيستور به گونه اي که قابليت کار در دماي اتاق را داشته باشد توان مصرفي وسايل الکترونيکي و قدرت محاسباتي پردازنده ها را مي تواند متحول کند اساس کار ترانزيستور تک الکتروني بر پديده ي تونل زني استوار است .
تونل زني پديده اي است که فقط با فيزيک کوانتوم قابل توجيه است و با فيزيک کلاسيک توجيه نمي شود. در اين مقاله با مدل سازي ساختار ترانزيستور واتصالات آن با مقاومت و خازن توانسته ايم معادلات رياضي توضيح دهنده ي تونل زني الکترون در ترانزيستور تک الکتروني را استخراج کنيم و با استفاده از اين معادلات به توجيه رفتار الکترون و نحوه ي قرارگيري آن در باندهاي انرژي به هنگام تونل زني در ترانزيستور بپردازيم .
کليد واژه - انسداد کولني، ترانزيستور تک الکتروني، تونل زني .
١- مقدمه
ايـــده ي اوليـــه ي ادوات تـــک الکترونــي، بــه آزمــايش رابــرت ميليکان در سال ١٩٠٩ باز مي گردد. او بــا معلــق کــردن قطــرات روغــن بـــاردار در ميـــدان الکتريکـــي يکنواخـــــت ، توانســـــت بـــــار الکترواستاتيک الکترون را ا ندازه گيري کند. اندازه گيري چنـين بار کوچکي، با وسيله اي به ظاهر ساده ، درآن سال ها بيشتر شبيه يک مع جزه بــود. اواخــر ســال ١٩٨٥ تئــوري ترانزيستور تک الکتروني بـر ا ساس همين ايده ، مطرح شد و دو سال بعد، نمونه ي ترانزيستور تک الکترونـي در آزمايشگاه بل ساخته شد. ساخت و آزمايش ادوات تک الکتروني م ستلزم تکنولوژي پيشرفته و تجهيزات و يژه اي است کـه ت عداد ب سيار کمـي از آزمايشگاه ها در سـطح جهـان ايـن تجهيزات را دارا هستند.
کنتـــرل جريـــان در ادوات تـــک الکترونــي نظيــر ترانزيســتور تــک الکتروني، در حد تک الکترون ها مي باشد و اين کنترل جريان بر مبناي پديــده ي انســداد کــولني Coulomb) (Blockade صورت مي گيرد. کاربردهـاي بسيار متنوعي براي ترانزيستور تـک الکتروني وجود دارد که از مهمترين آنها حافطه هاي انسداد کـولني [١]
،ابزارهاي اندازه گيري دقيق ، اسکن الکترون فوق العاده حساس و منـابع جريان بسـيار دقيـق اسـت . همچ نين کــوانتيزه بــودن جريــان در ايــن ترانزيستور زمينه ي منا سبي بـراي کاربردهاي ديجيتال نظير حافظه هاي الکترواستاتيک سريع با توان مصرفي بسيار پايين فراهم مي کند.
در ترانزيســتور تــک الکترونــي اتصال بين الکتـرود و جزيـره ، يـک اتصال مستقيم الکتريکي نيست بلکـه بين آنها يک عايق نازک قرار دارد و الکترون از طر يق تو نل زدن بـه جزيره وارد يا از آن خارج مي شود.
تونــل زدن ، تنهــا بــا فيزيــک کوانتومي و ماهيت مـوجي ذره قابـل توجيه خواهد بود.
٢- تحليل تونل زني در ترانزيستور تک الکتروني
ترانزيستور تک الکتروني مهمترين قطعه ي الکترونيکـي اسـت کـه در زمينه نانو الکترونيک سـاخته شـده است . اغلب پيش بيني هايي که در رابطه با گسترش ادوات تک الکتروني در آينده مطرح مي شود، براساس عملکـرد همـين ترانزيستور است . نامگذاري ترمينال هــاي ايــن ترانزيســتور ، شــبيه ترانزيستور FET است . ترانزيسـتور تک الکتروني از دو الکترود تشـکيل شده است که با دو پيونـد تـونلي ، از جزيره ي ترانزيستور جد ا شده انـد و يترـانازليکستتـوررودک گياــلت کتهرـوم نيدروجسوــداخدتاارد که عايق مابين گيت و جزيره غير قابـل نفوذ اسـت . ويژگـي منحصـر بـه فـرد ترانزيستور تک الکتروني اين است که جريان درين - سورس به صورت پريوديک با ولتاژ گيت تغيير ميکند. اين پديده را نوســانات کــولمبي (Coulomb Oscillation) می
نامند.
شکل ١:طرح شماتيک ترانزيستور تک الکتروني [٢]
ترانزيستور تک الکتروني شامل يک جزيره (Island) است که به وسيلهي دو اتصــال تــونلي از ســورس و دريــن ايزوله شده ا ست . همـانطور کـه در شکل ٢ مي بينيد در طرف چپ جزيـره اتصال اول و در طـرف را ست جز يره اتصال دوم تونلي قرار دارد. هـر کدام از اتصال هاي تونلي داراي يک مقاومــت تــونلي و همچنــين ظرفيــت الکتريکي مي با شند کـه در ات صال سمت چپ اين مقاومت و ظرفيت را بـه ترتيــب و و در اتصــال ســمت راست ، مقاومت و ظرفيت الکتريکي را مي ناميم .
شکل ٢:دياگرام مداري ترانزيستور تک الکتروني [٢]
حال خازن هاي را از ديد جزيره رسـم مـيکنـيم و بـار الکتريکي هر کدام از اين سه خـازن از KVL و KCL در هـــر دو حلقـــه ي مدار شکل ٣ بدست مي آيند.
شکل ٣:خازن هاي از ديد جزيره [٢]
٣- محاسبه ي انرژي الکترواستاتيک
همانطور که در قسمت ق بل ا شاره کـرديم ، بـار الکتريکـي خـازن هـا محاسبه شده اند و مقـدار آنهـا از فرمول هاي (١) تـا (٣) بدسـت مـي آيند.
حال که مقادير بارهاي الکتري کي را داريم مي توانيم تغي يرات بار الکتريکي به هن گام تو نل زنـي را محاسبه کنيم . قطعا چون يک الکترون در اين فرايند بـه جزيـره ا فزوده شده يـا از جزيـره خـارج مـي شود تغييرات بار الکتريکي خازن ها بـه صورت زير خو هد بود.
حال که تغييرات بار الکتريکي را ميحاستبوهانکيم رديام نراژزي اروليکترهمويان تامتيقاک ديرر براي پيوند هـاي تونلي مو جود در ساختار ترانزيسـتور تک الکترونـي محاسبه کنيم . به طور مثـال اگـر الکتروني از طريق پيوند تونلي اول جزيـره وارد شود تغييـرات انـرژي الکترواستاتيک مثبت ا ست و انـرژي الکترواستاتيک پيونـد اول ا فزايش داشته است . اين م قدار افـزايش را با نشان مي دهيم و مقـدار آن را به صورت زير محاسبه مي کنيم .
با همين روش مـــي تـــوانيم تغييــرات انــــرژي الکترواس تاتيک ، هنگامي که الکترون از طريق اتصال اول به خارج جزيره تونل مي - زند را بدست آوريم . در وا قع بـا تونل زدن به خارج جزيره مقـدار n به١-n تبديل مي شود.
اگر هر کدام از عبارات يا مثبت باشـند، انـرژي نهايي مدار بعد از تونل زني الکترون بـه داخـل يـا خارج جزيـره بزگ تر از مقدار اوليه ي انرژي مـدار خواهـد شد و تونل زني متوقف خواهد شد .
از روي فرمــول هــاي (٧) و (٨) حـدود دو ل به ي ناح يه ي انسـداد کـولني براي تونـل زنـي از م يان اتصــال تــونلي اول را بــر حســب نامعادلات زير مي توان بيان کرد.
محاسبات مشابهي با آنچه در قسمت قبل ديديد انجام داديـم تـا بـراي الکتروني کـه از طر يق اتصـال دوم يعني تونل مـيزنـد، تغييـرات انــرژي الکترواســتاتيکي را محاسبه کنيم . در وا قع براي تونل زني از ميان اتصـال دوم دو لبهي ديگر براي ناحيه ي انسداد کولني تعريف مي کنيم .
حال با توجه بـه دو نامعاد له ي (٩) و (١٠) به يک سـري شـکل هـاي لوزي ماننـد مـي رسـيم کـه بـه n وابسته اند. آنها را الماس کولني (Coulomb Diamond )[٣] مــي نامنــد. در شکل ٤ لوزي ٠=nنشان داده شده است .
در واقــع داخــل محــيط ايــن لــوزي پايداري کولني داريـم يع ني اگـر داخل محيط لوزي ٠=n باشيم تونل زني اتفاق نخواهد افتاد.
