新的電晶體 簡介「單電子電晶體」的進展與應用
陳啟東（中研院物理所）
2003.10.19 中國時報
在這個要求體積小、消耗功率小的電子元件的時代，
單電子電晶體 （簡稱SET）
將成為本世紀新一代最重要的奈米電子元件之一。
半個多世紀以來，「電晶體」的發明導致今天半導體科技的發展，也
帶動了資訊、通訊等相關產業的蓬勃。至今，減少電晶體的尺寸與增
快調變的速度，已成為半導體產業發展的目標。但是，當元件尺寸持
續的縮小達到奈米尺度時，量子效應即成為主導元件特性的主要因素。
此外，現今單一晶片上已可含納上千萬個電晶體，其消耗功率所產生
的熱能要如何排放，也成為棘手的問題。因此，以創新概念設計新的
電晶體元件有其必要性與急迫性。「單電子電晶體」(Single Electron
Transistor)具有低消耗功率及異常高的電荷靈敏度的優點，已成為
下一世代偵測器、邏輯電路及量子電腦等產品開發上的主要元件。
日本NTT團隊 室溫SET研究有突破
單電子電晶體 (簡稱SET)是一種有源極(Source), 汲極(Drain)及閘極
(Gate)的三極體。它與一般的場效應電晶體(FET)同樣的，可經由閘極
電壓形成的電場來控制源、汲極間的電流。如圖一所示，SET主要是由
中央島(island)透過二個可讓電子穿透的微小接合(tunnel junction)
連結至電極所構成的。由於中央島的尺寸極小，把一個電子放進這個島
中會把這個島的電位能提高 。
為了要讓一個電子進入這個島須要付出這個能量，所以在很小的偏壓下
電子是進不去的，這個現象稱為「庫倫阻斷」(Coulomb blockade)，也
就是一個有電壓但無電流的狀態。如果把偏壓固定在於一個小偏壓時，
改變閘極電壓可控制電晶體的電流作週期震盪，每一個震盪代表中央島
的電子個數增加或減少一個。庫倫阻斷與庫倫震盪兩種現象統稱為「電
荷效應」(charging effect)。
目前的SET必須在低溫下操作，才能呈現其特殊功能。主要是因為高溫
時將造成的二種效應，會破壞SET的特性：其一促使電子穿透而模糊了
庫倫阻斷的特性；另一是造成多餘電子數的熱擾動。提高SET工作溫度
是目前最主要的研究課題，唯有如此才能真正突顯SET的應用價值。欲
達成此一目標，必須要中央島的尺寸能小於10奈米。應用最先進的矽材
料氧化、蝕刻等製程技術，已可在實驗室達成此一目標。
最近，日本NTT團隊在SOI (Silicon on Insulator)矽基板上，也能製
做出室溫矽的SET。NTT團隊在室溫SET研究的突破，使得SET邏輯電路的
發展可以實現。NTT團隊利用藉由閘極電壓調變中央島內化學位能，以
使源-汲極電流產生震盪變化，而證實了SET邏輯電路的可行性。
SET也能當作光子偵測器
此外，SET研究還有其他的附帶收穫。偵測巨觀機械震盪器的量子效應
是科學家長期的目標，若能發展具有測量位移量子極限靈敏的偵測器，
將會有相當大的應用價值。其主要應用是可以精密偵測微弱力的變化，
且能轉換成位移量。而SET就具備有此量子極限的靈敏度。
加州大學Santa Barbara分校物理系的研究團隊，最近製作一個共振
頻率為116百萬兆赫(116-MHz)的機械震盪器，如圖二所示。在絕對溫
度0.03度的極低溫，利用SET當作位移感測器，得到極高的靈敏度。
SET不只能當位移感測器，也能當作光子偵測器，這主要是利用光子發
射進偵測器產生電荷變化，因而造成庫輪震盪曲線移動，故只要固定
某一個閘極電壓，當光子入射進偵測器時，記錄偏移量即可得知光子
數量。
利用超導單電子箱的結構廣受重視
最後，再談談SET對量子電腦研究的影響。近幾年來科學家對量子電腦
的實現充滿極大興趣與信心。量子電腦的基本單元為量子位元(quantum
bit) ，量子位元的成立條件是可以做任意方式疊加(superposition)的
雙能階系統(two-level system)。此一任意方式疊加的特性正是古典位
元和量子位元的差異處。想像一質點放置於W形位能井中。
在古典物理中，該質點可以在左或右兩個谷底獲得穩定狀態，但其僅能
存在左或右兩個位能井中的一個，然而相同的模型在考慮量子現象時，
必須考慮質點能夠穿隧中央位能障壁的事實。當中央位能障壁無限高的
情況下，系統在左邊和右邊位能井各有一量子狀態。 當中央位能障壁降
低時，質點開始能夠穿隧中央位能障壁。
因此真正的物理狀態無法區分左或右位能井，而形成任意可能的疊加態。
要進一步進行量子計算則必須同時控制多個量子位元，利用彼此之間
耦合形成纏繞態(entangled states)，來展示邏輯運算。目前在實現
量子電腦的研究中，利用超導單電子箱的結構廣受重視，潛力無窮。
由於SET具有量子極限的靈敏度，所以不只可以當作偵測器，還可以作
為固態量子電腦的讀取元件。利用超導SET來量測電荷位元，其工作原
理大抵是利用量測其傳輸性質（也就是系統受到外界電場後的反應），
來決定元件的量子狀態。例如電流訊號代表電荷的傳導，而電壓訊號
代表磁通的傳導 。
就SET而言，直接的電性量測速度很慢。我們可以設計一個包含SET的
高頻共振腔，那麼SET的阻抗變化應該會改變高頻共振腔的共振頻率。
如果我們能夠使共振腔的共振頻率達到微波頻率，便可以運用微波技
術將SET的量測速度提高到微波頻率。這樣的觀念做出來的偵測器，稱
為高頻單電子電晶體(RF-SET)，它實際上已然是一種高速量子位元的
讀取裝置。
總而言之，SET開創了一個嶄新的研究領域，讓我們能用一個巨觀的系
統，觀測並控制單一個電子的行動。雖然此一領域發展的時間相當短，
但是不論在基礎研究或應用領域都有突破性的進展。因此，在這個要
求體積小、消耗功率小的電子元件的時代，預期SET將成為21世紀新
一代最重要的奈米電子元件之一。
--
曾經滄海難為水 除卻巫山不是雲
取次花叢懶回顧 半緣修道半緣君
--
※ 發信站: 批踢踢實業坊(ptt.cc)
◆ From: 139.223.28.55