Завдання до оформлення лабораторної роботи

Для захисту лабораторної роботи потрібно підготуватися до відповідей на контрольні запитання та оформити протокол, який вміщує:

1. Мету роботи та фізико-теоретичні відомості про динамічний режим роботи одноелектронного тунельного наноприладу.

2. Експериментальну наносхему дослідження одноелектронного тунельного приладу та діаграми моделювання його динамічних характеристик.

3. Висновки.

Контрольні запитання

1. Які існують комутаційні наносхеми?

2. Якими процесами визначається швидкодія одноелектронних наноприладів?

3. У яких схемах застосовується імпульсний режим роботи одноелектронних наноприладів?

4. Яку величину напруги кулонівської блокади повинні подати перші 10 електронів, що тунелюють через перехід з ємністю С=10 аФ?

5. Який вигляд має передаточна характеристика одноелектронної наносхеми послідовної комутації?

6. Поясніть усі стадії накопичення-розсмоктування електронів на кулонівському острівці в динамічному режимі роботи одноелектронного тунельного наноприладу.

ЛАБОРАТОРНА РАБОТА № 13

Статичні характеристики наноприладу з двома тунельними переходами

Мета роботи: Дослідити статичні характеристики тунельного переходу з двома симетричними та несиметричними тунельними перходами.

Фізико-теоретичні відомості

Еквівалентна схема наноприладу з двома тунельними переходами показана на рис. 13.1.

Рис.13.1. Наносхема з двома тунельними переходами R₁C₁ та R₂C₂ і кулонівським острівцем КО між ними

Фізично така конструкція уявляє собою напівпровідникову (металічну) гранулу (кантовий острівець КО), відділену діелектричними тунельними переходами від металічних контактів джерела живлення U. Загальна електростатична енергія такої системи складає:

(13.1)

де 1, 2 — індекси переходів, а для одного КО — загальний заряд накопичених електронів та початковий заряд .

Таким чином, рівняння (3.1) можливо скоротити:

,(13.2)

де — загальна ємність двох тунельних переходів, яка має два доданки через те, що і під’єднані паралельно, якщо дивитись з боку наногранули КО.

Темп тунелювання електронів через перший перехід дорівнює:

(13.3)

де — зміна вільної енергії, що супроводжує тунелювання електронів, при падінні напруги на переході .

Аналогічно, для другого переходу темп тунелювання складає:

(13.4)

де — падіння напруги на другому переході.

Отже, темпи тунелювання, тобто і струм, повністю залежать від параметрів та переходів. У випадку симетрії і або та після подолання кулонівської блокади буде спостерігатись повільне зростання струму зі збільшенням напруги тому, що , а кількість електронів, які надійшли на КО, буде дорівнювати кількості тих, які його покинули.

Для несиметричного приладу , та , тому . Це означає, що на КО буде існувати надлишковий, блокуючий заряд електронів, які накопичуються швидше через перший перехід, аніж розсмоктуються через другий. Тому ВАХ такої системи має вигляд «кулонівської драбини». Сходинки будуть тим помітнішими, чим асиметричнішою буде структура одноелектронного приладу з двома переходами, тобто . Сходи щезають при симетрії переходів.

Завдання до виконання лабораторної роботи

1. На робочому столі автоматизованої системи SIMON створити експериментальну наносхему дослідження одноелектронного приладу, як показано на рис. 13.2.

Рис. 13.2. Експериментальна наносхема дослідження статичних характеристик приладу з двома тунельними переходами

2. Дослідити її статичні характеристики, які для прикладу побудовані на рис. 13.3 для випадків симетричної (а, в, д) та несиметричної (б, г, е) структур. Для випадку несиметричної структури вибрати .

а) б)

в) г)

д) е)

Рис. 13.3. Результати моделювання вхідних напруг (а, б) та статичних характеристик стрімів (в, г) і зарядів (д, е) наноприладів з двома симетричними (а, в, д) та несиметричними (б, г, е) тунельними переходами.