ترانزیستورهای تک الکترون
ترانزیستورهای تک الکترون، بدلیل حساسیت بالای خود به بار الکتریکی، مصرف پایین برق و چگالی بالای مجتمع سازی ،کاربردهای گسترده ای پیدا کردند.
ترانزیستور تک الکترونی در حقیقت مانند یک جعبه الکترون است که دارای دو اتصال جداگانه برای ورود و خروج الکترون می باشد. بزرگترین مزیت ترانزیستور تک الکترونی آن است که در ابعاد بسیار کوچک (درحد نانومتر) قابل ساخت است.
کنترل جریان SET :
برای کنترل جریان در حد تک الکترون ،به چند پایه نیاز است:
1)) فضای منفردی برای نگهداری الکترون که معمولا آن را جزیره (Island) نامند.
2)) الکترود های هادی برای انتقال الکترون به داخل یا خارج جزیره
3))پیوند تونلی بین الکترود و جزیره ،برای محدود کردن عبور الکترون ها و ایجاد کنترل بر روی جریان.
هدف این است که الکترون ها را از یک الکترود ، تک به تک وارد جزیره کرده و از الکترود دیگر خارج کنند.
دسته بندی کلی روش های ساخت
روشهای ساخت با توجه به مراحل اصلی میتواند به روشهای فیزیکی و شیمیایی تقسیم شوند.
روش های فیزیکی
روش¬های فیزیکی اغلب با استفاده از ترکیب فیلم¬های نازک و فناوری لیتوگرافی انجام میگیرد. دقت زیاد در طراحی هندسه وچگالی الکترون این قطعات مهم می¬باشد.
روش های شیمیایی
رویکرد دیگر، رشد ساختارهای نانو شیمیایی است. این روش بخاطر هزینه پایین آن و کنترل پذیری خوب اندازه جزایر کولنی روش موفقی است. اگرچه SET های ساخته شده در آزمایشگاه نتایج شگفت انگیزی را نشان میدهند اما در صنعت قابل استفاده نمی باشند. بطور کلی سه مرحله بسیار مهم برای ساخت وجود دارد :
1 . کنترل در اندازه و چگالی ساخت جزایر کولنی
2 . شکل گیری پیوندهای تونلی مشترک بین الکترودها وجزیره کولنی
3 . تشکیل گیت بین بستر و جزایر کولنی
انواع روش های ساخت SET
پیوندهای تونلی ساخته شده با استفاده از روش دولان پل،اولین ساختار با ناحیه پیوندی فوقالعاده کوچک، مورد نیاز برای ترانزیستورهای تک الکترون بودند. منطقه هم¬پوشانی ناشی از تبخیر با دو زاوایه متفاوت و ایجاد اکسید با ضخامت مناسب، منجر به پیوند تونلی می گرددد. نمودار این فرآیند در شکل زیر نشان داده شده است.
1 )) روش پل دولان
2)) روش EBL
اگرچه لیتوگرافی نوری، عملیات را بر سطح ویفر انجام می دهد، ولی ویژگی های زیر میکرونی به تکنیک های پرتو الکترونی نیاز دارد.
قطعات مورد نظر، ساختار مسطح با ترکیبات زیر میکرونی دارند. به منظور ساخت چنین ترکیبات کوچکی، از لیتوگرافی پرتو الکترونی Electron Beam Lithography)) استفاده می شود.
3)) روش FIB
نیاز به تولید فناوری ساخت دقیق و قابل اعتماد در مقیاس نانو ، کاهش ابعاد قطعه ضروری است. در دهه گذشته سیستم های پرتو یونی متمرکز ( (Focused Ion Beamبطور فزایندهای برای بهبود مدار و تجزیه و تحلیل های شکست خورده در صنعت نیمه-هادی مورد استفاده قرار گرفته است. سیستمهایFIB در عمل، شبیه به میکروسکوپ های اسکن الکترونی هستند، اما از پرتوهای متمرکز شده یونGa+ استفاده می کنند. سیستم هایFIB می توانند سطح نمونه را تغییر دهند و همچنین میتوانند سطح نمونه را شکل دهی کنند. ترانزیستورهای الکترونی تنها، در یک سری از مراحل فرآیند، با استفاده از شدت جریانهای زیاد و شدت جریانهای کم که درتوان FIB است، ساخته شده است. شدت جریانهای پایین تر، برای ساخت ساختارها در مقیاس نانویی، که به مقدارهای کمتر انرژی نیاز دارند، استفاده می شود؛ در حالیکه شدت جریان های زیاد برای تحقق ساختارهایی در مقیاس میکرو، استفاده می شود.
4)) روش STM
فلزاتی که برای آزمایش انتخاب شده اند تیتانیم و نوبیوم بر روی بستر SiO2 /Si میباشند. برای ساخت سد تونلی، ماده تیتانیوم یک انتخاب خوب است. پس از رسوب لایه نازک تیتانیم به ضخامت 3 نانومتر بر روی بستر SiO2 /Si در فشار پایین، نمونه در محیط STM تنظیم می شود. سطح تیتانیم نسبت به پلاتین نوک STM بایاس مثبت می شود. هنگامی که نوک STM نزدیک سطح تیتانیم تنظیم می شود، نه تنها جریان تونلی بلکه جریان فارادی نیز بین آن ها از طریق آبی که به سطح فلزتیتانیم در محیط اتمسفر چسبیده است، جاری می گردد. سپس سطح تیتانیم برای تشکیل اکسید تیتانیوم اکسید می شود. توسط اسکن نوک Microscope Scanning Tunneling (STM) خطوط اکسید تیتانیم TIOx شکل می گیرند.
هنگامی که قطب بایاس معکوس شود، هیچ الگویی تشکیل نمی شود که نشان می دهد که الگو بصورت الکتروشیمیایی تشکیل شده است.
5)) روش AFM
فرآیند ساخت جدید از میکروسکوپ نیروی اتمی Atomic Force Microscopy به عنوان پایه کاتد فوق العاده کوچک و اعمال بایاس پالسـی بین پایه و فیلم نازک تیتانیم به ضخـامت 2.5 نانومتر که بر روی زیرلایه تخت اتمی α-Al2O3 قرار دارد استفاده می شود.
کاربرد ترانزیستور تک الکترونی:
اساس کار ترانزیستور تک الکترونی بر اساس انتقال الکترون بین دو ناحیه رسانا کوچک به نامisland است. در این ابزار ها خواص کوانتومی ماده چیره می شود و خواص کولنی جدیدی را به نمایش می گذارد. ترانزیستور تک الکترونی این قابلیت را دارد که در آینده نزدیک در کنار ترانزیستور های سیلیکونی بازده مدارات را افزایش دهد. تحقیقات جدید در این مورد نوید بخش انقلابی در حافظه های RAM و ابزار های ذخیره اطلاعات است. ترانزیستور های تک الکترونی از معدود فلزات و نیمرسانا ها در ابعاد نانو , نانو لوله های کربنی و مولکول های منفرد ساخته می شود. ترانزیستور تک الکترونی شامل بود از نقاط کوانتومی جفت شده بین سورس و درین که با اتصال تونلی هدایت می شود. اتصال تونلی با یک یا چند گیت جفت می شود. بر خلاف ترانزیستور های اثر میدانی ترانزیستور های تک الکترونی بر اساس پدیده های کوانتومی و اثر تونلی است. کاربرد ها :
برق سنج فوق حساس
طیف سنج تک الکترونی
معیار جریان DC
دیتکت مادون قرمز
Programmable Single Electron Transistor Logic
Charge State Logics
Voltage State Logics