单电子器件的研究进展一、前言当材料的尺寸与电子的德布罗意波长或平均自由程相当时，电子的波动性的影响表现得特别显著，出现电子的量子弹道传输、电导量子、库仑阻塞效应、共振隧穿效应、量子霍耳效应等。

在低维系统电子的全新输运过程中，单电子现象是典型的例子。

单电子效应是设计和制造各种固体纳米电子器件或单电子器件的基础。

完整的固体纳米电子器件由被势垒包围的库仑岛（势阱）和发射或源极、集电极或漏极和用来控制库仑岛量子点中电子数目的栅极组成。

库仑岛可由金属或半导体材料组成。

根据岛的大小和形状的不同，可构成三种不同的单电子器件：单电子晶体管（SET）、量子点器件（QD）以及共振隧穿二极管和三级管（RTD，RTT）。

它们之间的差别是库仑岛的电子能态和充电能U的不同。

要使一个电子进入库仑岛，必须克服岛内所有电子对该电子的排斥能量U，U亦称为充电能。

U 与岛的三维尺寸有关，岛的体积越小，岛内电子的互相作用越强，U就越大，反之则U小。

二、各器件的研究进展（一）闪存存储器闪存是一种长寿命的非易失性（在断电情况下仍能保持所存储的数据信息）的存储器，数据删除不是以单个的字节为单位而是以固定的区块为单位，区块大小一般为256KB到20MB。

闪存是电子可擦除只读存储器（EEPROM）的变种，EEPROM与闪存不同的是，它能在字节水平上进行删除和重写而不是整个芯片擦写，这样闪存就比EEPROM的更新速度快。

由于其断电时仍能保存数据，闪存通常被用来保存设置信息，如在电脑的BIOS（基本输入输出程序）、PDA（个人数字助理）、数码相机中保存资料等。

另一方面，闪存不像RAM（随机存取存储器）一样以字节为单位改写数据，因此不能取代RAM。

目前市场上常见的存储按种类可分：U盘、CF卡、SM卡、SD/MMC卡、记忆棒等1984年，东芝公司的发明人Fujio Masuoka 首先提出了快速闪存存储器(简称闪存)的概念。

与传统电脑内存不同，闪存的特点是非易失性，即所存储的数据在主机掉电後不会丢失，其记录速度也非常快。

Intel是世界上第一个生产闪存并将其投放市场的公司。

1988年，公司推出了一款256K bit闪存芯片。

它如同鞋盒一样大小，并被内嵌于一个录音机里。

後来，Intel发明的这类闪存被统称为NOR闪存。

它结合EPROM(可擦除可编程只读存储器)和EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)两项技术，并拥有一个SRAM接口。

第二种闪存称为NAND闪存，由日立公司于1989年研制成功。

NAND闪存的写周期比NOR闪存短90%，它的保存与删除处理的速度也相对较快。

NAND 的存储单元只有NOR的一半，在更小的存储空间中NAND获得了更好的性能。

鉴于NAND出色的表现，它常常被应用于诸如CompactFlash、SmartMedia、SD、MMC、xD、PC cards、USB sticks等存储卡上。

目前的闪存市场仍属于群雄争霸的末成熟时期。

三星、日立、Spansion和Intel是这个市场的四大生产商。

（二）单电子晶体管单电子晶体管(SET)被认为是制造下一代低功耗、高密度超大规模集成电路理想的基本器件，因为这种晶体管工作仅需要很少的电子，所以具有极低的功耗和极高的开关速度。

单电子晶体管有良好的应用前景，不仅在高灵敏度测量方面有着别的器件无法比拟的优越性，且在数字电路方面有望开发G-T级的随机存储器和高速数字处理器.研究表明，应用传统半导体工艺和材料可以制造单电子电荷效应的存储器。

Augke等人的工作表明可以用与CMOS技术相兼容的工艺制造硅掺杂单电子晶体管，而且掩膜的几何形状和掺杂浓度对晶体管的性能有影响.使用CMOS技术制造单电子晶体管，使得单电子电路向工业化制造迈出一大步。

目前，单电子晶体管有两种实现方案，即金属-绝缘体型和半导体型，不管是哪一种类型的SET，其基本部分是由纳米尺度的量子点和隧道结以及与之相连的宏观外电极和电源组成，它们都可以等效为一对势垒中间有一个库仑岛的物理模型。

库仑岛和势垒的尺寸和性质对单电子晶体管的性质有很大影响。

作为纳米电子器件，SET的量子效应表现为库仑振荡和库仑台阶两个基本特性。

库仑振荡是指SET的漏源间电导随栅极偏压而发生振荡。

在较小的栅极偏压范围内，在固定漏源极偏压时，表现为漏源电导将随栅偏压的变化而振荡，振荡周期与库仑岛的长度有关，库仑岛长度越长，振荡周期越短，则晶体管开关越快。

在固定的栅压下，电流随漏源偏压呈阶梯形变化，出现库仑台阶。

库仑岛的和漏源极之间的隧穿势垒越高，所观察的台阶数目将越大。

（三）共振隧穿晶体管(RTT)RTT、RTD是一种超晶格结构，由两层极薄的宽带隙半导体材料夹一层极薄的窄带隙半导体材料组成，形成两垒一阱结构。

势垒一般由AlAs或AlGaAs（n-型）构成，势阱由GaAs（p-型）或InGaAS构成。

左侧发射极和右侧集电极用与势阱相同的材料重掺层构成。

势垒宽度为1.5-3.0nm，势阱宽度为3.0－5.0nm。

通过用MBE技术制备。

在势阱中因量子化出现分立的能级，基态能量为E0。

不加偏压时，E0高于发射极中的费米能级E F。

加偏压V后，E0相对于E F下降，位于E F与其导带底Ec之间。

当E F的电子能量与E0重合，满足能量守恒与横向动量守恒时，则发生共振隧穿，出现隧穿电流。

随着V的增加,电子的态密度正比于盘的面积，盘面积增大，隧穿电流也增大。

当E0与重合或费米盘达到kZ坐标圆点时，隧穿电流达到最大，在I-V 特性上形成峰值电流。

V再增加，E0位于Ec以下，共振隧穿停止，电流骤降，出现负阻特性。

由于阱宽很小，ΔE很大，第二个电流峰出现在较高电压处。

共振隧穿器件具有以下特点：（1）高频高速工作：由于隧穿是载流子输运的最快机制之一，具有非常快的工作速度和非常高的工作频率。

理论预计峰谷间的转换频率可达到1.5－2.5 THz，实际已到650 GHz，最短的开关时间为)1.5 ps。

（2）低工作电压和低功耗：典型的工作电压为0.2-0.5V，一般工作电流为mA量级，可实现低功耗运用。

（3）负阻、双稳和自锁特性。

三、存在问题单电子器件虽然有很多优点, 但是也存在不少问题。

主要体现在两个方面。

1) 在理论上, 对单电子器件中载流子的行为还不能十分精确地了解。

单电子器件是一种人造量子系统, 因此需要对自洽与非自洽人造量子系统进行研究。

虽然代数动力学是一个较好的工具, 但也只能解少数具有动力学代数结构的部分。

另外, 单电子器件中的粒子既不同于宏观的无限多粒子体系,也不同于单分子、原子体系。

它是一种介观体系, 研究纯宏观与纯微观的理论和方法均需要加以修正。

对于制备U LSI 来说, 载流子波动的相互干涉对计算机的运行稳定性问题均需要研究。

2) 在实际制备与操作上, 首先, 从对双结晶体管的分析可以知道, 岛屿的库仑势为e2 / 2C, 为了使器件能抵抗热扰动, 需e2 / 2C> kT。

因此, 为了在室温下工作, 就需要C 很小, 这对加工要求很高。

其次,为了提高加工精度, 已经从光学光刻发展到X 射线、电子束、离子束刻蚀等方法。

而要达到e2/ 2C >kT, 这些方法都有困难。

另外, 不仅要能够制备单个器件, 还要能在短时间内制备大量的器件, 这是制备超大规模集成电路所必须的。

再者, 单电子器件对介电质中的电荷很敏感, 如何消除介电质中的电荷以及减少器件对电荷的敏感, 对工艺提出了更高的要求。

最后是如何使加工单电子器件与现有的工艺设备结合起来。

四、展望由于传统的集成电路已经快达到其物理极限,如果想使集成电路进一步发展, 就必须寻求新的方法和器件。

单电子器件作为一种从传统器件到量子器件的过渡产品, 是符合实际情况的途径, 也许从某种意义上说它是一种终极器件。

随着理论研究的深入和加工手段的提高, 单电子器件有可能是十几年后计算机的核心部件。

另外, 单电子器件还可以应用于量子测量、高灵敏红外辐射探测器等领域。

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随着温度的降低，整个磁矩系统的取向状态经历一个较为复杂的过程，最终冻结为自旋玻璃态。

从时间坐标上看，每个磁矩冻结在固定的方向而失去转动的自由度；从空间坐标上看，各个磁矩的冻结方向是无序的。

这种自旋玻璃态不同于长程序的铁磁或反铁磁态，然而它却表现出类似长程有序磁状态所具有的合作行为。

由于自旋玻璃是自然界中许许多多复杂体系的代表，搞清楚自旋玻璃的特性和规律对认识其他复杂体系有触类旁通之功效。

这种稀释合金系统往往在某特定温度以下，其杂质磁矩将混乱地被冻结起来，宏观磁矩等于零，系统的这一状态称之为自旋玻璃态。

自旋玻璃的磁特性有两个重要特征：1. 低场磁化率在冻结温度时出现一尖峰，峰值的尖锐度随磁场的减低而愈加显著；2. 在冻结温度以下，自旋玻璃不具有自发磁化，其磁化过程是不可逆的，且存在剩磁影响及时间效应。