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Un transistor a singolo elettrone (Single Electron Transistor – SET) è un dispositivo elettronico basato sull’effetto di bloccaggio coulombiano. In tale dispositivo, gli elettroni scorrono dai contatti di source e drain in un quantum dot (un punto quantico, un sistema confinato quantisticamente in tutte e tre le dimensioni spaziali) attraverso giunzioni tunnel. Il potenziale elettrico del punto quantico, o “isola” di elettroni, può essere manipolato da un terzo elettrodo, il gate, accoppiato capacitivamente all’isola stessa. Fig. 1 mostra uno schema basilare di un SET, in cui l’isola, controllata dall’elettrodo di gate tramite il condensatore CG, è accoppiato ai contatti di source e drain tramite giunzioni tunnel modellizzate come un parallelo di una resistenza (RD o RS) e un condensatore (CD o CS)[1].

Fig. 1: Schema basilare di un SET, comprensivo dei vari parametri che descrivono il dispositivo.

IntroduzioneModifica

La sempre maggiore importanza di applicazioni quali l’Internet delle cose rendono di rilevanza fondamentale il parametro del consumo d’energia nei dispositivi elettronici, tanto che una delle maggiori tematiche di ricerca nell’ambito dell’elettronica a livello mondiale è rappresentata dallo studio di dispositivi con consumo ultra-basso (ultra-low-power). Il transistor a singolo elettrone è emerso come possibile candidato per raggiungere bassi livelli di consumo senza rinunciare all’integrabilità nei dispositivi di uso quotidiano. La maggiore differenza tecnologica tra i dispositivi MOSFET e i SET è rappresentata dal concetto del canale del dispositivo attraverso cui scorre la corrente. Nei MOSFET sono utilizzati canali conduttivi, e la continua miniaturizzazione ha raggiunto valori limite oltre i quali i MOSFET non sono più suscettibili di miglioramenti. Nei SET, invece, il canale è sostituito da un’”isola” di elettroni, o punto quantico. Tale isola è separata dai contatti di source e drain tramite barriere di potenziale create da giunzioni tunnel, e l’effetto del bloccaggio coulombiano regola la possibilità di trasferire elettroni da e verso il punto quantico [2], e quindi la corrente nel dispositivo stesso.

Generalmente, si adottano le seguenti tre assunzioni di base nello studio dei SET:

  1. la quantizzazione dell’energia degli elettroni nel conduttore si ignora, i.e. si tratta lo spettro di energia degli elettroni come continuo, condizione che risulta essere valida solo se l’energia di Fermi è molto inferiore rispetto all’energia termica (EF << kBT).
  2. il tempo caratteristico degli eventi di tunneling è trascurabile rispetto a ogni altra scala temporale in gioco. Questa assunzione è valida nei casi di interesse pratico, in cui il tempo caratteristico si può stimare dell’ordine di 10-15 s.
  3. la coesistenza di più processi di tunneling quantistico coerenti e simultanei (come il cotunneling) si può considerare trascurabile. Questa assunzione è valida se la resistenza delle barriere tunnel risulta maggiore di un quanto di resistenza (h/e2 ~ 26 kΩ, dove h è la costante di Planck ed e la carica dell'elettrone), per confinare gli elettroni nell’isola.

I maggiori benefici dell’utilizzo di un SET risiedono in un alto livello di integrazione e nei consumi energetici estremamente bassi. Il processo di fabbricazione dei SET è compatibile con la tecnologia CMOS, fatto che aumenta le possibilità di integrazione in circuiti complessi. Inoltre, alcuni degli svantaggi originari intrinseci nei SET si stanno risolvendo. Ad esempio, il caratteristico basso livello di corrente potrebbe rappresentare un problema per determinate applicazioni, ma può essere risolto utilizzando il SET congiuntamente ad un field-effect transistor, in una configurazione ibrida SET-FET[3][4] (Fig. 2); inoltre generalmente i SET funzionano a temperature criogeniche o comunque a bassa temperatura, ma vari laboratori di ricerca stanno studiando processi di fabbricazione CMOS-compatibili di SET che funzionino a temperatura ambiente.

 
Fig. 2 SET-FET configurazione.

Quest’ultimo punto è molto delicato, data la sua importanza in vista della diffusione dei SET su vasta scala, per varie applicazioni. Il concetto di base è che le fluttuazioni termiche possono sopprimere il bloccaggio coulombiano, quindi per osservarne gli effetti è necessario che l’energia di repulsione Coulombiana, da fornire al sistema per caricare l’isola dell’n+1-esimo singolo elettrone (ed esprimibile come e2/CΣ, ove CΣ rappresenta la capacità totale dell’isola metallica), deve essere maggiore dell’energia termica kBT (dove kB è la costante di Boltzmann e T la temperatura). Ne consegue l’inversa proporzionalità tra la massima capacità ammissibile per l’isola di elettroni, e la temperatura. Per ottenere un efficace funzionamento a temperatura ambiente, occorrono valori di capacità totale molto piccoli, inferiori ad 1 aF (= 10-18 F), che si traducono nella richiesta di dimensioni estremamente piccole dell’isola metallica, inferiori ai 10 nm di diametro. La fabbricazione controllata di dispositivi a tali dimensioni è estremamente complessa, ed è argomento di studio nei laboratori di ricerca.

Nuove proposte di fabbricazioneModifica

In questo contesto, la rilevanza dello studio di circuiti basati su SET è stata evidenziata dall’assegnazione del progetto dell’Unione Europea IONS4SET (contratto numero 688072). Tale progetto ha l’obiettivo di realizzare circuiti ibridi SET-FET funzionanti a temperatura ambiente tramite una tecnica di fabbricazione dell’isola di elettroni al contempo innovativa e compatibile con la tecnologia CMOS. Il processo di preparazione finale è progettato per essere compatibile con la produzione su larga scala a livello industriale, per promuovere la diffusione di architetture ibride SET-CMOS. Per assicurare il funzionamento a temperatura ambiente, nanostrutture di silicio di meno di 5 nm di diametro sono fabbricate tra source e drain, a distanze di tunneling di pochi nanometri, in nanofili del diametro dell’ordine dei 10 nm [5]. Al momento non esistono flussi di processo efficaci per la realizzazione di circuiti ibridi SET-FET operanti a temperatura ambiente, da cui l’obiettivo finale del progetto IONS4SET e la sua importanza sul panorama europeo e internazionale.

NoteModifica

  1. ^ S. Mahapatra, V. Vaish, C. Wasshuber, K. Banerjee, and A. M. Ionescu, “Analytical Modeling of Single Electron Transistor for Hybrid CMOS-SET Analog IC Design,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 51, no. 11, pp. 1772–1782, Nov. 2004.
  2. ^ K. Uchida, K. Matsuzawa, J. Koga, R. Ohba, S. I. Takagi, and A. Toriumi, “Analytical single-electron transistor (SET) model for design and analysis of realistic SET circuits,” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 39, no. 4 B, pp. 2321–2324, 2000.
  3. ^ A. M. Ionescu, S. Mahapatra, and V. Pott, “Hybrid SETMOS Architecture With Coulomb Blockade Oscillations and High Current Drive,” IEEE Electron Device Lett., vol. 25, no. 6, pp. 411–413, Jun. 2004.
  4. ^ E. Amat, J. Bausells, and F. Perez-Murano, “Exploring the Influence of Variability on Single-Electron Transistors into SET-Based Circuits,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 64, no. 12, pp. 5172–5180, Dec. 2017.
  5. ^ F. Klupfel, A. Burenkov, J. Lorenz, "Simulation of silicon-dot-based single-electron memory devices," Int. Conf. SISPAD, pp. 237–240, 2016.