Абрамов І. І., Ігнатенко С. А. Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки Білорусь, 220013, Мінськ, П. Бровки 6. E-mail: nanodev (3> _bsuir.edu.bv

Анотація З використанням фізико-топологічної моделі одноелектронного транзистора проаналізовано вплив положення та розміру електрода затвора на його підсилювальні властивості. При розрахунках за основу взято експериментальні дані для транзистора на основі тунельних переходів А1/АЮХ/ А1.

I. Вступ

За сток-затворної характеристиці одноелектронного транзистора можна судити про його підсилювальних властивості. В даний час коефіцієнт посилення цих приладових структур, на жаль, невеликий і становить одиниці [1, 2].

Відомі моделі напівкласичного підходу використовують в якості вихідних даних опору і ємності тунельних переходів [1, 3]. В результаті фактично неможливо дослідити вплив параметрів конструкції і матеріалів на електричні характеристики одноелектронних структур. В роботах [4, 5] була вперше запропонована фізико-топологічна модель металевого одноелектронного транзистора, позбавлена ​​зазначеного недоліку.

Метою даної роботи є теоретичне дослідження сток-затворної ВАХ одноелектронного транзистора в залежності від стану та розміру електрода затвора.

II. Результати та їх аналіз

В якості об’єкта дослідження було обрано одноелектронних транзистор на основі тунельних переходів AI / AIOx / AI [6].

Vg, мВ

Рис. 2. Вплив відстані затвор-острівець на стокзатворние ВАХ одноелектронного транзистора:

1 Wg = 300 нм, 2 Wg = 330 нм, 3 Wg = 270 нм

Для проведення розрахунків використовувалася модифікована фізико-топологічна модель, яка дозволяє отримати хороше узгодження з експериментальними даними [5]. Вид структури наведено на рис. 1. Узгодження було отримано при ширині електрода затвора Lg = 700 нм (дорівнює довжині острівця Lx) і відстані затвор-острівець Wg = 300 нм, що обумовлено реальними розмірами транзистора [6].

В якості вихідної для аналізу з сімейства сток-затворних ВАХ була обрана крива при напрузі на стоці Vd = 0.4 мВ [5, 7].

Fig. 2. The influence of the gate-island distance on the drainto-gate characteristics of a single-electron transistor:

1 Wg=300nm, 2 Wg=330nm, 3 Wg=270nm

На рис. 2 показано вплив відстані від затвора до острівця Wg на сток-затворні ВАХ. Крива 1 відповідає Wg = 300 нм, крива 2 Wg = 330 нм, а крива 3Wg = 270 нм. З малюнка видно, що при зміні Wg на 10% амплітуда осциляцій изме-

Рис. 1. Структура одноелектронного транзистора Fig. 1. Structure of a single-electron transistor

вується незначно (-3%), а період змінюється приблизно на 12%. Крутизна характеристики визначалася співвідношенням dl / dV. Для наочності проводилася дотична лінія (див. 1 ‘, 2’, 3 ‘). Для вихідної кривої 1 крутизна становить dl / dV = 25 пА / мВ. З рис. 2 видно, що зміна відстані затворостровок призводить до незначного зміни крутизни ВАХ (-1%). Отримані закономірності пояснюються сильнішим впливом електричного поля затвора на поляризаційний заряд острівця при зменшенні відстані Wg.

На рис. 3 проілюстровано вплив ширини електрода затвора Lg на сток-затворні ВАХ одноелектронного транзистора. Зміна Lg вироблялося в сторону зменшення, причому затвор розташовується симетрично, в середині структури (приклад показаний штриховими лініями на рис. 1). Крива 1 відповідає Lg = 700 нм, крива 2 Lg = 350 нм, крива 3Lg = 100 нм. З рис. 3 видно, що при зменшенні Lg в 2 рази період осциляцій збільшився на 35%, а амплітуда приблизно на 5%. При зменшенні Lg в 7 разів (крива 3) період збільшився майже в 1,5 рази (142%), а амплітуда на 10%. Крутизна ВАХ при зменшенні Lg зменшується з 25 пА / мВ (дотична 1 ‘) до 17 пА / мВ (дотична 2’) і до 10 пА / мВ (дотична 3 ‘). Таким чином, зменшуючи ширину електрода затвора, можна погіршити підсилювальні властивості одноелектронного транзистора. Дане поведінка пов’язана з тим, що при зменшенні Lg вплив електричного поля затвора на поляризаційний заряд острівця слабкіше.

Було проведено також дослідження впливу зміщення електрода затвора уздовж осі х (рис. 1) при постійному відстані Wg. Зокрема встановлено, що при ширині затвора Lg = 100 нм його зміщення відносно середини структури не впливає на фор-

Рис. 3. Вплив ширини електрода затвора на стокзатворние ВАХ одноелектронного транзистора:

1 Lg = 700 нм, 2 Lg = 350 нм, 3 Lg = 100 нм.

Fig. 3. The influence of the gate width on the drain-togate characteristics of a single-electron transistor:

1 Lg=700nm, 2 Lg=350nm, 3 Lg=100nm

му BAX (збігається з кривою 3, рис. 3). Це пов’язано з тим, що металевий острівець досить довгий Lx = 700 нм, а ширини тунельних переходів дуже малі Wd = Ws = 3 нм, і при будь-якому положенні затвора на лінії НД (рис. 1) створюється електричне поле однаково впливає на поляризаційний заряд острівця.

Зазначимо, що як зменшення відстані затвор-острівець, так і зменшення ширини затвора призводять до збільшення амплітуди осциляцій, тобто збільшення робочого ділянки ВАХ. Крім положення та розміру електрода затвора на підсилювальні властивості одноелектронного транзистора впливають ряд інших параметрів, наприклад, ширини тунельних переходів витоку і стоку [7].

III. Висновок

Проведено теоретичне дослідження стокзатворной ВАХ одноелектронного транзистора в залежності від стану та розміру електрода затвора. Встановлено, що на підсилювальні властивості значно впливає ширина електрода затвора, мало вплив відстані від затвора до острівця і практично не робить ніякого впливу відносне зміщення затвора (при постійному відстані затвор-острівець).

IV. Список літератури

[1] Likharev К. К. II Proc. IEEE, 1999, v. 87, p. 606-632.

[2] Zimmerli G., Kautz R. L., Martinis J. М. II Appl. Phys. Lett., 1992, v. 61, p. 2616-2618.

[3] Amman М., Mullen К. II J. Appl. Phys., 1989, v. 65, p. 339346.

[4] Абрамов І. І., Новик Е. Г. Чисельне моделювання металевих одноелектронних транзисторів. Мінськ, Бестпрінт, 2000, 164 с.

[5] Абрамов І. І., Ігнатенко С. А., Новик Е. Г. II В кн. 12я Міжнародна конференція «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології». Матеріали конференції. Севастополь: Вебер, 2002, с. 466-467.

[6] Berman D., Zhitenev N. В., Ashoori R. С., Smith Н. I., Melloch M. R. / / J. Vac. Sci. Technol. B, 1997, v. 15, p. 2844-2847.

[7] Абрамов І. І., Ігнатенко С. А., Новик Е. Г. II Известия Білоруської інженерної академії, 2002, № 2 (14) / 2,

с. 175-177.

DEPENDENCE OF A SINGLE-ELECTRON TRANSISTOR GAIN ON THE POSITION AND DIMENSIONS OF GATE ELECTRODE

Abramov I. I., Ignatenko S. A.

Belarussian State University of Informatics and Radioelectronics 6 P. Brovki St., Minsk, Belarus, 220013 phone +375 (17)2398877 e-mail: nanodev@bsuir.edu.by

Abstract The gain of a single-electron transistor depending on the position and dimensions of the gate electrode has been studied. Experimental data for an AI/AIOx/AI transistor have been used in computation.

I.  Introduction

The gain of a single-electron transistor is determined by its drain-to-gate characteristics. At present the gain of these structures is regrettably small, about several unities [1, 2].

The known models of semidassical approach use capacity and resistance values as input parameters [1, 3]. As a result, it is almost impossible to trace the influence of design parameters and material properties on electrical characteristics of single-electron structures. In [4, 5] a physical model of a metallic single-electron transistor free from the above disadvantages is proposed.

The present paper focuses on a theoretical study of drainto-gate characteristics of a single-electron transistor with regard to the position and dimensions ofthe gate electrode.

II.  Results and discussion

A single-electron transistor based on an AI/AIOx/AI tunnel junctions [6] has been chosen for analysis.

A modified physical model has been used in the calculations [5]. The structure of a single-electron transistor is shown in Fig. 1. Agreement was obtained for a gate electrode width Lg=700nm (equal to an island length) and gate-island distance Wg=300 nm, typical for actual sizes of this structure [6].

The initial curve for the calculation has been that of Vd=0.4mV [5,7].

The influence of the gate-island distance Wg is shown in Fig. 2. The curve 1 corresponds to Wg=300nm, the curve 2 to Wg=330nm, the curve 3to Wg=270nm. The slope of each curve is determined by ratio dl/dV. Tangents to curves have also been plotted (see 1′, 2′, 3′). The slope ofthe curve 1 is dl/dV=25pA/mV. As shown in Fig. 2, changes in the gate-island distance result into minor slope variations (~1%). The results obtained are due to a stronger influence ofthe gate electric field on the polarization charge of an island with decreasing Wg.

The influence of the gate electrode width Lg is shown in Fig. 3. The gate is placed at the center ofthe structure (an example is shown dotted). The curve 1 corresponds to Lg=700nm, curve 2to Lg=330nm, curve 3to Lg=100nm. Slopes of the curves vary from 25pA/mV (the tangent to the curve 1) to 17pA/mV (the tangent to the curve 2) and to 10pA/mV (the tangent to the curve 3). In this way a decrease in the gate electrode width Lg may compromise the gain of a single-electron transistor.

The influence of a gate displacement along the x-axis has been studied for a constant distance Wg. The gate displacement relative to the center ofthe structure does not affect the I-

V   curve. This is due to the fact that a metallic island is Lx=700nm long, but the tunnel junction widths Wd=Ws=3nm are very small, and for any position ofthe gate electrode along the BC line (see Fig. 1) an emerging electric field effects the polarization charge of an island in the same way.

The gain of a single-electron transistor is also determined by a number of other parameters, e. g. by the width of drain and source tunnel junctions [7].

III.  Conclusion

Drain-to-gate characteristics of a single-electron transistor have been studied with regard to the position and dimensions of the gate electrode. It has been demonstrated that the gain strongly depends on the gate electrode width Lg, barely depends on the gate-island distance Wg and is virtually unaffected by the relative gate displacement at the constant distance Wg.

Анотація Досліджено вплив розмірів пріконтактной областей резонансно-тунельного діода (РТД) на вольтамперні характеристики (ВАХ). Показано, що зміна розмірів пріконтактной областей може привести до значних трансформацій ВАХ РТД. Розрахунки проведені з використанням комбінованої моделі і ряду її модифікацій, заснованої на самоузгодженого вирішенні рівнянь Шредінгера і Пуассона і включеної в комплекс програм чисельного моделювання NS-RTSNANODEV.

I. Вступ

РТД є одним з найбільш перспективних приладів для використання в системах нового покоління квантових інтегральних схемах. Проте проведення експериментальних досліджень з вивчення впливу параметрів структури на характеристики приладу утруднено внаслідок значущості витрат. У зв’язку з цим актуальним завданням є проведення обчислювальних експериментів з використанням адекватних моделей РТД та відповідного програмного забезпечення.

Метою даної роботи є дослідження впливу розмірів пріконтактной областей РТД на їх ВАХ.

II. Опис моделі

Аналіз проводився з використанням комбінованої моделі РТД, заснованої на самоузгодженого вирішенні рівнянь Шредінгера і Пуассона [1, 2]. У комбінованій моделі РТД представляється у вигляді трьох областей: контакти, пріконтактной області та активна область. До активної області відносяться бар’єри і укладена між ними квантова яма. До пріконтактной областям відносяться області, розташовані між омічним контактом і бар’єром, як з боку емітера, так і з боку колектора. Більш детально комбінована модель описана в роботі [2].

Проведені раніше дослідження впливу апроксимації форми бар’єрів і квантової ями на ВАХ показали, що узгодження результатів моделювання з експериментальними даними може бути отримано в разі використання наближення, при якому в граничної точці вибиралося усереднене значення потенціалу по різні сторони бар’єра [3]. У зв’язку з цим в даній роботі при моделюванні характеристик застосовувалася саме ця апроксимація.

III. Результати моделювання

Розрахунок ВАХ проводився для двухбарьерного РТД

[4], виготовленого на основі GaAs / AIAs, структура якого представлена ​​на рис.1. Області РТД пронумеровані від 1 до 9, починаючи від емітерного контакту. При моделюванні використовувалися наступні значення електрофізичних параметрів: висота бар’єру 1,116 еВ, ефективна маса і відносна діелектрична проникність областей, виготовлених з GaAs рівні відповідно пл * = 0,068 пл0 і 8 = 13,18, а для AlAs пл * = 0,172 пл0, S = 10,06, де то маса спокою електрона.

Рис. 1. Структура РТД на основі GaAs / AIAs Fig. 1. A GaAs / AIAs RTD structure

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.