单电子晶体管基础知识解析

单电子晶体管（SET）被认为是制造下一代低功耗、高密度超大规模集成电路理想的基本器件，因为这种晶体管工作仅需要很少的电子，所以具有极低的功耗和极高的开关速度。单电子晶体管有良好的应用前景，不仅在高灵敏度测量方面有着别的器件无法比拟的优越性，且在数字电路方面有望开发G-T级的随机存储器和高速数字处理器。研究表明，应用传统半导体工艺和材料可以制造单电子电荷效应的存储器。Augke等人最近的工作表明可以用与CMOS技术相兼容的工艺制造硅掺杂单电子晶体管，而且掩膜的几何形状和掺杂浓度对晶体管的性能有影响。使用CMOS技术制造单电子晶体管，使得单电子电路向工业化制造迈出一大步。

目前，单电子晶体管有两种实现方案，即金属-绝缘体型和半导体型，不管是哪一种类型的SET，其基本部分是由介观尺度（纳米）的量子点和隧道结以及与之相连的宏观外电极和电源组成，它们都可以等效为一对势垒中间有一个库仑岛的物理模型。库仑岛和势垒的尺寸和性质对单电子晶体管的性质有很大影响，Verbrugh等人就曾对单电子晶体管的库仑岛尺寸进行优化。

1.SET的基本结构和工作原理

1.1基本结构

SET从宏观结构上来看与MOSFET相似，它是由源极、漏极、栅极和衬底组成，但其内部结构却与MOS-FET完全不同。库仑岛与周围绝缘，栅极用来调节库仑岛的电化学势即控制岛中电子数目，漏源间距离一般为1μm左右，这样的结构可以完全抑制泄漏电流。两个电极与库仑岛之间分别形成一个隧道结（即势垒阻挡层）。因此，SET可视为一个栅控串连双隧道结器件。

1.2 SET的工作原理

由于SET是纳米电子器件，因此量子效应是其工作的基础。主要体现在如下3个方面：

（1）库仑阻塞效应

如果SET的库仑岛尺寸足够小且与其周围外界在电学上是绝缘的，它与外界之间的电容可小到10-16F。在这种情况下，某个电子隧穿进入该库仑岛，就必须增加e2/2C的能量以克服库仑岛中的电子对它的排斥力。所以要求电子吸收的动能kBT（kB为波尔兹曼常数，T为工作温度）远远小于其充电能e2/2C。

这样，一旦某一电子隧穿进入库仑岛，它会对随后而来的第二个电子进入该库仑岛起阻挡作用，称之为库仑阻塞现象。

（2）量子隧穿效应

当电子与某一势垒相碰撞，若势垒较厚，电子不能穿越势垒；当势垒减至电子的量子力学波长（约100 nm）时，则电子将能穿越该势垒而称为量子隧穿效应。

（3）量子尺寸效应

制做SET的材料的薄层厚度与电子的量子力学波长近似相等时，在超薄层会形成电子驻波，只允许特定波长λg（λg=2Lz/n，n为整数，Lz是库仑岛的长度）或波数Kg（Kg=2π/λg=nπ/Lz）的电子状态存在。这种量子尺寸下的效应称量子尺寸效应。此时电子的固有能量EZ呈离散化分立状态，即电子的能级是简并的。

1.3 SET的基本特性

作为纳米电子器件，SET的量子效应表现为库仑振荡和库仑台阶两个基本特性。库仑振荡是指SET的漏源间电导随栅极偏压而发生振荡。在较小的栅极偏压范围内，在固定漏源极偏压时，表现为漏源电流将随栅偏压的变化而振荡（振荡周期与库仑岛的长度有关，库仑岛长度越长，振荡周期越短，则晶体管开关越快）。

在固定的栅压下，电流随漏源偏压呈阶梯形变化，称此为库仑台阶。这种库仑台阶在对库仑岛的电测量中最易观察到，库仑岛的和漏源极之间的隧穿势垒越高，所观察的台阶数目将越大。

2.SET中电流的分区描述

在正统理论中，对隧穿结仅考虑两种情况，即环境电阻远远高于量子电阻（）和远远低于量子电阻。为抑制量子涨落问题，实际中的隧穿结电阻应远远高于量子电阻，在高电阻环境下，SET中的两个隧穿结上电压只能有三种情况：均低于临界电压；只有一个高于临界电压；均高于临界电压。二种情况对应着不同的电流形式，据此可以将电流划分为三个不同的区域，即：库仑阻塞区、单电子电流区和高电流区。

库仑阻塞区：由于两个隧穿结上电压均低于临界电压，忽略热激隧穿的情况下，该区电流为零。

单电子电流区：由于只有一个隧穿结满足隧穿条件，该结发生隧穿之后，另一个结未必即刻发生隧穿。

高电流区：当SET处于两个隧穿结上电压均高于临界电压状态时，漏源间会有一个连续的隧穿电流。利用处于不同电流区域的SET特性，近年来出现了采用SET进行基木逻辑电路、静电检测、远红外线探测、射频电路等方而的应用。

3.基本特性的仿真分析

SET模型的精确求解是非常困难的，现代计算机的飞速发展为近似求解提供了便利。目前SET的主要分析方法有ME法（主方程法，Master Equation Method）、MC法（蒙特卡罗法，Monte Carlo Method）和Spice法。ME法和MC法的突出优点是能够分析两个库仑岛之间的库仑效应，而利用传统器件对SET建模的Spice方法对于此却无法体现，但ME和MC两种方法要进行大量的复杂计算，占用计算机时也长，极大地影响了其实用性。当电路中的库仑岛数目较多时，两岛间的库仑作用极其微弱，可以忽略不计，这就给了Spice分析法以极好的适应性，尤其是适合于SET与传统器件混合电路的仿真分析，从而为采用SET设计各种功能电路提供了可能性和理论依据。

目前，对于SET的制备方法、性能分析研究热日渐升高，特别是由于在微电子领域、光电子领域和量子信息领域的潜在应用价值，使得对SET的基础理论与运用的研究显得尤为重要，这也是世界大实验室都将其作为重要研究课题的原因之一。近两年来以正统理论为基础，提出了依据实际物理特性建立SET数学模型的方法。由于这些数学模型直接针对SET的相关物理量进行描述，因此相对简化了对SET I-V特性及具体电路的分析、设计及仿真方法。