Einzelelektronentransistor

Energiezustände eines SET in Sperr- und Durchlassschaltung

Als Einzelelektronentransistoren, auch Ein-Elektron-Transistoren, (SET für englisch single electron tunneling oder englisch single electron transistors) bezeichnet man elektronische Bauelemente, die zu einem bestimmten Zeitpunkt nur von jeweils einem Elektron passiert werden können.

Der erste SET wurde 1987 an den Bell Laboratories von Gerald Dolan und Theodore A. Fulton realisiert.[1] Vorschläge dazu gaben schon Dmitri Averin und Konstantin Likharev 1985.[2]

Funktionsweise

Realisierung eines Einzelelektronentransistors mit Nb-AlOx-Al-Tunnelübergängen. Links: rasterelektronenmikroskopische Aufnahme, rechts: Interpretation

Ähnlich wie Feldeffekttransistoren besitzen sie Reservoire, die man als Source und Drain bezeichnet, sowie (mindestens) ein Gate, mit dem der Transistor steuerbar ist. Insbesondere ist es bei mehreren Gates möglich, die SETs zur Stromeichung zu verwenden. Dazu wird an die Gates eine definierte, hochfrequente Spannungsfolge gelegt. Im ersten Schritt wird durch ein Gate Kontakt zur Source geschaffen, während gleichzeitig die Leitung zum Drain durch ein anderes Gate unterdrückt wird. Die Einstellung erfolgt so, dass genau ein Elektron den SET besetzen kann. Im nächsten Schritt wird die Leitung nach Source unterdrückt und nach Drain ermöglicht. Das Elektron wird durch Spannung an ein weiteres Gate aus dem SET „herausgedrückt“.

Potentiell könnte mit Hilfe einer Schaltung von SET die Messung der Größe elektrischer Strom auf die Messung einer Frequenz zurückgeführt werden, wie es für die Größe elektrische Spannung bereits über den Josephson-Effekt der Fall ist, und so könnte ausgehend von einer definierten Frequenz ein hochpräziser Quantenstandard des elektrischen Stroms definiert und dargestellt werden.

Eine typische Realisierungsmöglichkeit des SET sind beispielsweise elektronisch kontaktierbare Quantenpunkte, die mit Hilfe fotolithografisch aufgebrachter Metallgates auf modulationsdotierten GaAs-Wafern. Eine andere Realisierungsmöglichkeit sind sehr kleine metallische Übergänge mit einer dünnen Isolatorschicht zwischen den metallischen Kontakten, durch die Elektronen „tunneln“ können.

Siehe auch

  • Coulomb-Blockade

Literatur

  • Hermann Grabert, Michel H. Devoret: Single Charge Tunneling: Coulomb Blockade Phenomena in Nanostructures. Kluwer Academic/Plenum Publishers, 1992, ISBN 0-306-44229-9.
  • Marc A. Kastner The single electron transistor and artificial atoms, Annalen der Physik, Band 9, 2000, S. 885–894, pdf
  • Leo P. Kouwenhoven, Charles M. Marcus et al.: Electron transport in quantum dots. In: Mesoscopic Electron Transport. NATO ASI Series E345, Kluwer, Dordrecht 1997, ISBN 0792347374. (online verfügbar)

Weblinks

Der Einzelelektronentransistor (Universität Koblenz) (PDF, 360 kB)

Einzelnachweise

  1. ↑ T. A. Fulton, G. J. Dolan: Observation of single-electron charging effects in small tunnel junctions. In: Physical Review Letters. Band 59, 1987, S. 109–112, doi:10.1103/PhysRevLett.59.109.
  2. ↑ D. V. Averin, K. K. Likharev: Coulomb Blockade of Tunneling, and Coherent Oscillations in Small Tunnel Junctions. In: J. Low Temperature Physics. Band 62, 1986, S. 345 (Moscow State University, Dept. of Physics preprint 23, 1985).

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Energy levels of source, island and drain (from left to right) in a single electron transistor for both the blocking state (upper part) and the transmitting state (lower part). In the blocking state no accessible energy levels are within tunneling range of the electron (red) on the source contact. All energy levels on the island electrode with lower energies are occupied. When a positive voltage is applied to the gate electrode the energy levels of the island electrode are lowered. The electron (green 1.) can tunnel onto the island (2.), occupying a previously vaccant energy level. From there it can tunnel onto the drain electrode (3.) where it inelastically scatters and reaches the drain electrode Fermi level (4.). The energy levels of the island electrode are evenly spaced with a separation of . is the energy needed to add a subsequent electrode to the island, which acts as a self-capacitance . The lower the bigger gets. It is crucial for delta-E to be larger than the energy of thermal fluctuations , otherwise an electron from the source electrode can always be thermally excited onto an unoccupied level of the island electrode, and no blocking could be observed.

Illustration created using Inkscape by Daniel Schwen on March 3rd 2006.
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Realisierung eines Einzelelektronentransistors mit Nb-AlOx-Al-Tunnelübergängen.
Links: Rasterelektronenmikroskopbild einer Anordnung zur Untersuchung der Coulomb-Blockade beim Stromtransport über eine längliche Metallinsel
Rechts: Künstlerische Interpretation