Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ХЕШ. С середины восьмидесятых годов до настоящего времени продолжается бурное развитие одиоэлектроники 11, 21 - области исследований зарядовых эффектов, связанных с одиночными электронами, в системах туннельных переходов малой площади. Интерес к одноэлектронике связан с появившейся в последние годы возможностью контролируемого изготовления металлических туннельных переходов емкостьо С~10~15*10_1в Ф. В системах таких переходов при низких температурах (kgT<
Сложившаяся к концу восьмидесятых годов относительно простая "стандартная" ("ортодоксальная") теория одноэлектроники И, 21 подтверждена большим количеством экспериментов. В настоящее время есть уверенность, что будет создан целый класс уникальных аналоговых и цифровых устройств (возможно, включающий новую элементную базу ЭВМ), работа которых будет основана на одноэлектронных зарядовых эффектах.
Поэтому дальнейшее развитие теории одноэлектроники является весьма актуальной и важной задачей. Особый интерес приобретает применение теории для расчета конкретных перспективных одноэлектронных устройств. Новые вопросы для теории поднимает появившаяся в последние два-три года возможность использования в одноэлектронных экспериментах полупроводниковых гетероструктур {3. 41.
Наиболее интересным для'практики одноэлектронным устройством является одноэлектронкый транзистор ' - система двух последовательных туннельных переходов малой емкости. Его вольт-амперная характеристика (ВАХ) хорошо изучена II, 21, однако для практического применения важен также расчет флуктуации в одиоэлехтроннои транзисторе. В частности, флуктуации ограничивают предельную чувствительность электрометра и гальванометра на базе одиоэяектронного транзистора. Возможность использования полупроводниковых материалов ставит не исследованный ранее вопрос влияния на ВАХ эффекта подавления достаточно низких туннельных барьеров электричесхим полем.
Достаточно много потенциальных приложений и у более сложной
одноэлектронной системы - цепочки из более чем двух туннельных переходов. В диссертации рассмотрена новая возможность - создание принципиально нового трансформатора постоянного тока на базе двук электростатически связанных цепочек.
Стандартная теория одноэлектроники предполагает непрерывность энергетического спектра «Зерегов туннельных переходов. Важной задачей является распространение теории на новый класс объектов, где существенной является дискретность энергетического спектра. Это существенно, например, при уменьшении размеров элементов металлической одноэлектроикки до нескольких нанометров. ЧТГ» МОГЛО бы быть первым шагом к молекулярной электронике. Особый интерес к влияшю дискретности спектра возникает при исследовании электронного транспорта через полупроводниковые гетероструктуры, так как здесь эффекты дискретности заряда и энергетических уровней оказывается одного порядка.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Настоящая диссертация посвящена развитию теории одноэлектронных зарядовых эффектов в одноэлектронной транзисторе и цепочках туннельных переходов малой площади. а также распространенно этой теории на системы с дискретным энергетическим спектром.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА*. В работе впервые вычислены флуктуации электрических величин в одноэлектронном транзисторе, возникающие вследствие стохастичности одноэлектронного тучнелирования.
Вычислен теоретический предел чувствительности электрометра и гальванометра на основе одноэлектронного транзистора.
Рассмотрено влияние эффекта подавления туннельных барьеров электрическим полем на ВАХ одноэлектронного транзистора.
Впервые рассмотрен одноэлектронный транспорт в системе двух электростатически связанных цепочек туннельных переходов малой площади. Показано, что такая система может работать в режиме трансформатора постоянного тока.
Получено кинетическое уравнение, описывающее одноэлектронное туннелирование в двойном туннельном переходе с учетом дискретности энергетического спектра центрального электрода.
Рассмотрено туннелирование через малую металлическую гранулу с дискретным энергетическим спектром. Показано, что дискретность уровней приводит к сглаживаний кулоновской лестницы на ВАХ. Проведен анализ микроструктуры ВАХ, непосредственно отражающей
дискретный энергетический спектр гранулы.
Рассмотрен одноэлектронный транспорт через двухбарьерную полупроводниковую гетероструктуру малой площади (кваитовус точку). Показано, что ступенчатые особенности на ВАХ квантовой точки связаны как с одноэлектронными зарядовыми эффектами, так и с дискретностью уровней квантовой точки. Найден параметр, определяющий относительную силу этих двух эффектов. Сделано предсказание (впоследствие подтвержденное экспериментально 14]) о возмохности наблюдения одкоэлектронных зарядовых эффектов на ВАХ несимметричных двухбарьерных структур малой ллоцади.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается в том, что в ней проведен расчет основных характеристик некоторых перспективных одноэлектронных устройств, а также выявлены особенности ВАХ одноэлектронного транзистора, появляющиеся при переходе от стандартной металлической технологии изготовления к полупроводниковой.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные- результаты работы докладывались я обсуждались на Второй международной конференции по молекулярной электронике и биокомпьютерам (Москва, 1989), на Втором всесоюзном совещании по физическим проблемам лазерно-плаэменноЯ никротехкологии (Туапсе, 19Э0), 26 Всесоюзном совещании по физике низких температур (Донецк, 1990), 19 Международной конференции по физике низких температур (LT-19, Брайтон, Великобритания, 1990), 5 Всесоюзной конференции по физическим процессам в полупроводниковых гетероструктурах (Калуга, 1990), 4 Международной конференции по сверхпроводимости и устройствам на квантовых эффектах SQUID'91 (Берлин, 1991).
ПУБЛИКАЦИИ, Основные результаты диссертации опубликованы в двенадцати печатных работах.
ОБЪЕМ РАБОТЫ, Диссертация состоит из предисловия, вести глав, заключения, пяти прилоаений и списка литературы (128 наименований). Объем диссертации составляет 118 страниц печатного текста и 27 рисунков.
