通过单电子泵实现对单电子运动的控制及其相图分析！

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1、第&$卷第)期$"")年)月物理学报D0E(&$，C0()，F91GH，$"")!"""<)$-"=$"")=&（$")）=".-.<"’>*8>?@A4B*>4BCB*>!$"")*H2I(?HJ7(40G("""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""通过单电子泵实现对单电子运动的控制及其相图分析!吴凡王太宏（中国科学院物理研究所，北京!"""#"）（$""$年%月&日收到；$""$年’月$日收到修改稿）介绍了单电子泵的工作原理，讨

2、论了如何利用库仑阻塞和单电子隧穿实现对单电子泵中单个电子运动的控制，从而给出它的相图，并由此得到了单电子泵的一个重要用途，即控制微小电流(指出栅极可能引入的随机电荷对单电子泵的应用并无影响(关键词：单电子泵，库仑阻塞，相图!"##：’))&*，#!)"器件的局部状态随单个电子的状态改变而发生改!/引言变(在微电流控制、高灵敏计量、逻辑电路等方面都有重要的用途(本文主要讨论单电子泵的工作原理，!-&!年，+01231观察到颗粒状金属的电阻随温由计算分析多个栅极对单电子泵的影响和控制作度下降表现出反常增加的行为，他解释

3、为每个金属用，得到了单电子泵的状态和栅极电压的相图，指出微粒相互之间存在隧穿势垒(这就是最早提出的单了单电子泵极具实用价值的重要用途：通过控制栅电子隧穿效应，但当时并没有产生很大的影响(直到极电压得到微小电流(同时也简要讨论了非理想情$"世纪#"年代后期，随着微细加工技术的发展，相况下可能引入的随机电荷等对单电子泵的影响(继在金属和半导体微结构中观察到了库仑阻塞现象，单电子隧穿效应才重新得到注意，并很快成为凝$/原理聚态物理学研究中的一个热点(以这一效应为基础，人们在纳米加工工艺发展的基础上开始研究一个全库仑阻塞现

4、象最初是在微小隧道结实验中发现新的器件领域：单电子器件（4567），其中研究最广的(当电子通过隧道结时，会使其两端的电位差发生泛、理解最深刻的是单电子晶体管（4587）［!—!"］(它以变化(如果结面积很小，从而使得结电容小到由一个其小体积、低功耗和高度集成化的特点得到了人们电子隧穿所引起的静电能的变化远超过热能!,"，的广泛重视，在功能上有其独特之处(单电子晶体管则此时由一个电子隧穿引起的电位变化会对下一个是通过改变栅极电压控制量子点的状态，实现对源电子的隧穿产生阻止作用，这就是所谓的隧穿过程漏极间电导和晶体管通

5、断的控制，在其导通时，电子的库仑阻塞(是一个一个依次通过晶体管，但是并不能掌握电子对于单结系统，由于电极引线间包含的杂散电何时通过量子点(单电子泵［!!，!$］是比单电子晶体管容通常远大于结本身的电容，致使总电容变得很大，更复杂的单电子器件，与单电子晶体管相同，它主要使得单结系统中难以观察到库仑阻塞(解决方法是由量子点、隧穿结、源漏极和控制栅极构成，不同之采用图!（9）中的双结结构(对两结之间的“岛”而处在于整体上它始终处于库仑阻塞状态，工作时利言，岛与周围环境之间的电容为#:#!;#$，并不用多个栅极实现对器件中

6、单个电子运动的控制，使受引线间杂散电容大小的影响(只要#!，#$足够!国家重点基础研究专项基金（批准号：+$""!*,)"-&）和国家自然科学基金（批准号：.--$&%!"和."$)."!"）资助的课题((期吴凡等：通过单电子泵实现对单电子运动的控制及其相图分析321小，通过任一结的单电子隧穿即可导致岛的静电能的明显改变!且隧穿引起的电荷改变以单电子电荷为单位，因此两结之间的岛也常称为单电子岛或量子点!为有效地控制岛上的电荷，我们通常通过一小电容!由栅电压"向量子点引入一个控制电荷""##$!"""，形成三极管式的

7、电路!由于栅极电压可以完全控制器件的电导，因此这一由栅压控制的双结器件就具有晶体管的作用，称为单电子晶体管，是一种最基本的单电子器件!图%（&）就是单电子晶体管的电路示意图，图（%’）是一种点接触平面栅型单［%(］电子晶体管!图（)*）为两端不加偏压时单电子晶体管的平衡势能图!图中!为量子点中第$个电子相对于$导带底的能量，为$个电子在岛中的总静电势，"$，为左右两电子库的化学势!量子点的基态能#+#,量可写为图%单电子岛和单电子晶体管图)单电子晶体管的势能图$)（.’$-#）由于后两项为静电势能，电化学势（$）也

8、可写成#，（%）#/%（$）$!!&-)!&$%化学势（$）$!与静电势能’之和!岛中电子#$"$其中!为岛与栅极间的电容，!为岛与所有电极"数改变%时，电化学势之差为间的总电容!将第$个电子加到岛上所需的最小能)’量定义为岛的电化学势#（/$-%）.#（/$）$!$-%.!$-!!（(）#（/$）$%（$）.%（$.%）除单电子能量之差!!$!$-%.!$