纳米技术及其应用第五章优秀课件.ppt

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1、纳米技术及其应用第五章第1页，本讲稿共42页第5章 介观系统中的量子干涉现象 弹性散射和非弹性散射弹性散射和非弹性散射弹性散射和非弹性散射弹性散射和非弹性散射库仑阻塞和单电子隧穿效应库仑阻塞和单电子隧穿效应库仑阻塞和单电子隧穿效应库仑阻塞和单电子隧穿效应库仑梯级库仑梯级库仑梯级库仑梯级第2页，本讲稿共42页第5章系统微观系统微观系统宏观系统宏观系统介观系统介观系统第3页，本讲稿共42页第5章微观系统微观系统：尺尺度度为原为原子子、分、分子子大小大小的的数量级（数量级（），其），其中中包含包含的的粒粒子子数量不多，系统数量不多，系统的的物理性质决定于量物理性质决定于量子子力学规律，力学规律，波粒

2、二象性，波函数波粒二象性，波函数的相位的相位起着重要作用。起着重要作用。第4页，本讲稿共42页第5章宏观系统宏观系统：尺尺度度远大于原远大于原子子，包含数量极多，包含数量极多的的微观粒微观粒子子。其物理性质不。其物理性质不能只由力学规律决定，而是大量微观粒能只由力学规律决定，而是大量微观粒子子运动运动的的统计平均。统计平均。统计平均统计平均的的结果，除少数如超导、超流等宏观量结果，除少数如超导、超流等宏观量子子现象之外，现象之外，微观粒微观粒子子波函数波函数相位的相位的作用被掩盖而显示不出来。作用被掩盖而显示不出来。第5页，本讲稿共42页第5章介观系统介观系统：介于宏观系统和微观系统之间介于宏

3、观系统和微观系统之间的的细小系统，是微观尺细小系统，是微观尺度的度的1001000倍，包含多达倍，包含多达1081011个个的的微观粒微观粒子子；可以；可以在在实验室实验室中中制备，但具有种种量制备，但具有种种量子子力学效应，粒力学效应，粒子的子的波动性，粒波动性，粒子子波函数波函数相位的相干相位的相干叠加并没有被统计平叠加并没有被统计平均所掩盖。均所掩盖。第6页，本讲稿共42页第5章介观物理研究与微介观物理研究与微电子电子加工技术，特别是光刻技术加工技术，特别是光刻技术的的高高度度发展分不开，这些技术发展分不开，这些技术的的发展使得可以发展使得可以在在微米和亚微米微米和亚微米长长度度上制造元

4、件，使得检验介观系统各种量上制造元件，使得检验介观系统各种量子干子干涉效应成为可涉效应成为可能。能。目前目前的的研究发现，只要温研究发现，只要温度度足够低，样品尺足够低，样品尺度度足够足够小（介观尺小（介观尺度度），就普遍表现出各种源于），就普遍表现出各种源于电子电子波动性波动性的的量量子干子干涉效应。涉效应。第7页，本讲稿共42页5.1 5.1 弹性散射和非弹性散射弹性散射和非弹性散射5.2 5.2 电导的非定域性和介观环上的持续电导的非定域性和介观环上的持续电导的非定域性和介观环上的持续电导的非定域性和介观环上的持续电流电流电流电流5.3 5.3 A-BA-BA-BA-B效应效应效应效应5

5、.4 5.4 普适电导涨落普适电导涨落5.5 5.5 库仑阻塞效应和单电子隧穿库仑阻塞效应和单电子隧穿库仑阻塞效应和单电子隧穿库仑阻塞效应和单电子隧穿第8页，本讲稿共42页第5章 5.1 弹性散射和非弹性散射弹性散射和非弹性散射Back第9页，本讲稿共42页5.1 弹性散射和非弹性散射弹性散射和非弹性散射 通常在计算含有大量粒子的大块固体的输运性质时通常在计算含有大量粒子的大块固体的输运性质时通常在计算含有大量粒子的大块固体的输运性质时通常在计算含有大量粒子的大块固体的输运性质时采用采用采用采用 的统计平均方法。的统计平均方法。的统计平均方法。的统计平均方法。BoltzmannBoltzman

6、nBoltzmannBoltzmann理理理理论论论论包包包包含含含含的的的的假假假假设设设设：（1 1 1 1）散散散散射射射射过过过过程程程程是是是是局局局局部部部部的的的的并并并并且且且且在在在在空空空空间间间间的的的的单单单单一一一一点点点点发发发发生生生生；（2 2 2 2）散散散散射射射射过过过过程程程程是是是是瞬瞬瞬瞬态态态态的的的的（时时时时间间间间局局局局域域域域性性性性）；（3 3 3 3）散散散散射射射射非非非非常常常常弱弱弱弱，而而而而且且且且场场场场很很很很弱弱弱弱；（4 4 4 4）仅仅仅仅考考考考虑虑虑虑时时时时间间间间尺尺尺尺度度度度小小小小于于于于电电电电子子

7、子子平平平平均均均均自自自自由由由由时时时时间间间间的的的的事事事事件件件件。由由由由此此此此可可可可见见见见，BoltzmannBoltzmannBoltzmannBoltzmann理理理理论论论论认认认认为为为为载载载载流流流流子子子子的的的的波波波波函函函函数数数数不不不不相相相相干干干干。每每每每次次次次散散散散射射射射之之之之间间间间，电电电电子子子子像像像像一一一一个个个个经经经经典典典典粒粒粒粒子子子子沿沿沿沿经经经经典典典典路路路路径径径径随随随随机机机机行行行行走走走走。换换换换句句句句话话话话说说说说，散散散散射射射射使使使使得得得得电电电电子子子子丧丧丧丧失失失失了了了了

8、相相相相位位位位记记记记忆忆忆忆，散散散散射射射射波波波波之之之之间间间间的的的的干干干干涉涉涉涉可可可可以以以以忽忽忽忽略略略略，电电电电子子子子表表表表现现现现出出出出粒子性。粒子性。粒子性。粒子性。波尔兹曼波尔兹曼波尔兹曼波尔兹曼第10页，本讲稿共42页5.1 弹性散射和非弹性散射弹性散射和非弹性散射试想一下：试想一下：如果散射的电子波之间相如果散射的电子波之间相互叠加，将会有什么效果？互叠加，将会有什么效果？第11页，本讲稿共42页5.1 弹性散射和非弹性散射弹性散射和非弹性散射固体中存在的两类散射：固体中存在的两类散射：一一一一类散射类散射类散射类散射是是是是电子电子电子电子与各种晶

9、粒缺陷（化学杂质、空与各种晶粒缺陷（化学杂质、空与各种晶粒缺陷（化学杂质、空与各种晶粒缺陷（化学杂质、空位位位位、晶粒间界、粗糙界面等）之间晶粒间界、粗糙界面等）之间晶粒间界、粗糙界面等）之间晶粒间界、粗糙界面等）之间的散射的散射的散射的散射。由于。由于。由于。由于散射体散射体散射体散射体质质质质量远大于量远大于量远大于量远大于电子电子电子电子，这种，这种，这种，这种散射散射散射散射基本上是弹性基本上是弹性基本上是弹性基本上是弹性的的的的，不改变，不改变，不改变，不改变电电电电子子子子能量，而只改变能量，而只改变能量，而只改变能量，而只改变电子的电子的电子的电子的动量（运动方向），称之为动量（

10、运动方向），称之为动量（运动方向），称之为动量（运动方向），称之为弹性弹性弹性弹性散射散射散射散射。另一另一另一另一类散射类散射类散射类散射是是是是电子电子电子电子与晶格振动（声与晶格振动（声与晶格振动（声与晶格振动（声子子子子），），），），电子电子电子电子与与与与电电电电子子子子之间之间之间之间的散射的散射的散射的散射。这种。这种。这种。这种散射散射散射散射是非弹性是非弹性是非弹性是非弹性的的的的，引起能量，引起能量，引起能量，引起能量在在在在电子电子电子电子声声声声子子子子、电子电子电子电子电子电子电子电子之间之间之间之间的的的的转移，称之为转移，称之为转移，称之为转移，称之为非弹性非弹

11、性非弹性非弹性散射散射散射散射。第12页，本讲稿共42页5.1 弹性散射和非弹性散射弹性散射和非弹性散射电子的相位相干长度：电子的相位相干长度：电子的相位相干长度：电子的相位相干长度：电子电子电子电子保持保持保持保持相位相位相位相位记忆（即记忆（即记忆（即记忆（即两两两两次非弹性次非弹性次非弹性次非弹性散射散射散射散射之间）之间）之间）之间）的的的的平均路程，平均路程，平均路程，平均路程，称为称为称为称为电子的相位相干长度电子的相位相干长度电子的相位相干长度电子的相位相干长度，表示符号为，表示符号为，表示符号为，表示符号为：当样品尺寸满足当样品尺寸满足当样品尺寸满足当样品尺寸满足 时，时，时，

12、时，电子电子电子电子波波波波的相干的相干的相干的相干叠加支叠加支叠加支叠加支配着配着配着配着电子的电子的电子的电子的输运性质，像这种样品尺寸输运性质，像这种样品尺寸输运性质，像这种样品尺寸输运性质，像这种样品尺寸的的的的系统就系统就系统就系统就是介观系统。是介观系统。是介观系统。是介观系统。第13页，本讲稿共42页5.1 弹性散射和非弹性散射弹性散射和非弹性散射在在在在实实实实际际际际的的的的多多多多晶晶晶晶材材材材料料料料中中中中，相相相相位位位位相相相相干干干干长长长长度度度度可可可可以以以以大大大大到到到到几几几几个个个个微微微微米米米米，甚甚甚甚至至至至可可可可能能能能达达达达到到到到

13、毫毫毫毫米米米米量量量量级级级级。在在在在这这这这种种种种距距距距离离离离内内内内，电电电电子子子子随随随随机机机机行行行行走走走走而而而而不破坏其不破坏其不破坏其不破坏其相位相位相位相位记忆。记忆。记忆。记忆。散散散散射射射射虽虽虽虽然然然然使使使使得得得得电电电电子子子子进进进进入入入入新新新新的的的的动动动动量量量量态态态态，波波波波函函函函数数数数的的的的相相相相位位位位改改改改变变变变却却却却是是是是确确确确定定定定的的的的，所所所所有有有有在在在在一一一一个个个个路路路路径径径径中中中中行行行行走走走走（即即即即与与与与相相相相同杂质同杂质同杂质同杂质相相相相继继继继散射散射散射散

14、射）的电子的电子的电子的电子是同是同是同是同相的相的相的相的，即彼此，即彼此，即彼此，即彼此相干的相干的相干的相干的。这这这这样样样样,我我我我们们们们就就就就可可可可能能能能在在在在足足足足够够够够低低低低的的的的温温温温度度度度下下下下，在在在在小小小小于于于于相相相相位位位位相相相相干干干干长度的长度的长度的长度的正常金属正常金属正常金属正常金属中中中中观察到观察到观察到观察到长长长长程程程程相位相干相位相干相位相干相位相干有关有关有关有关的的的的效应效应效应效应!第14页，本讲稿共42页第5章 5.2 5.2 电导的非定域性和介观环电导的非定域性和介观环上的持续电流上的持续电流Back

15、第15页，本讲稿共42页第5章 欧姆定律不再成立欧姆定律不再成立一一般般认认为为，电电导导率率决决定定于于材材料料性性质质，与与样样品品的的尺尺度度无无关关。电电流流-电电压压特特性性符符合合欧欧姆姆定定律律。然然而而，在在纳纳米米电电子子结结构构中中，导导体体导导电电性性与样品的尺度密切相关，而且，欧姆定律失效。与样品的尺度密切相关，而且，欧姆定律失效。欧欧姆姆定定律律能能够够成成立立的的导导体体称称为为欧欧姆姆导导体体。欧欧姆姆导导体体的的长长度度远远大大于于：（a）电电子子的的德德布布罗罗意意波波长长，它它与与电电子子的的动动能能相相关关。（b）平平均均自自由由程程，它它是是电电子子初初

16、始始动动量量破破坏坏之之前前电电子子运运动动的的距距离离。（c）相相位位弛豫长度，电子的初始相位破坏之前运动的距离。弛豫长度，电子的初始相位破坏之前运动的距离。显显然然，纳纳米米电电子子器器件件的的特特征征尺尺寸寸已已经经与与欧欧姆姆导导体体的的特特征征尺尺度度相相当当。这这使得欧姆定律不再成立。使得欧姆定律不再成立。第16页，本讲稿共42页第5章 对于尺寸 的纳米电子结构，电导会呈现非定域性的特征。1234R23=R14若环为介观环，可存在持续电流。若环为介观环，可存在持续电流。第18页，本讲稿共42页第5章 5.3 A-B效应效应Back第19页，本讲稿共42页A-B效应效应 在在在在经经

17、经经典典典典电电电电动动动动力力力力学学学学中中中中，场场场场是是是是有有有有明明明明确确确确物物物物理理理理意意意意义义义义的的的的物物物物理理理理实实实实在在在在，而而而而电电电电磁磁磁磁矢矢矢矢势势势势和和和和标标标标势势势势则则则则是是是是为为为为了了了了数数数数学学学学上上上上的的的的计计计计算算算算方方方方便便便便而而而而引引引引入入入入的的的的虚虚虚虚拟拟拟拟量量量量，其其其其本本本本身身身身并并并并没没没没有有有有与与与与之之之之对对对对应应应应的的的的物物物物理理理理实实实实在在在在。但但但但在在在在量量量量子子子子力力力力学学学学中中中中，电电电电子子子子对对对对电电电电磁

18、磁磁磁势势势势的的的的存存存存在在在在是是是是有有有有响响响响应应应应的的的的，势势势势是是是是具具具具有有有有根根根根本本本本性性性性物物物物理理理理意意意意义义义义的的的的量量量量而而而而不不不不再再再再是是是是经经经经典典典典力力力力学学学学中中中中可可可可有有有有可可可可无无无无的的的的虚虚虚虚拟拟拟拟量量量量。电电电电磁磁磁磁势势势势的的的的存存存存在在在在使使使使电电电电子子子子波波波波函函函函数数数数附附附附加加加加了了了了与与与与电电电电磁磁磁磁势势势势有有有有关关关关、依依依依赖赖赖赖于于于于路路路路径径径径的的的的相相相相位位位位。AharonovAharonov和和和和B

19、ohmBohm首首首首先先先先认认认认识识识识到到到到电电电电磁磁磁磁矢矢矢矢势势势势和和和和标标标标势势势势的的的的深深深深刻刻刻刻物物物物理理理理意意意意义义义义。他他他他们们们们指指指指出出出出，在在在在电电电电磁磁磁磁场场场场强强强强度度度度为为为为零零零零但但但但电电电电磁磁磁磁矢矢矢矢势势势势和和和和标标标标势势势势不不不不为为为为零零零零的的的的区区区区域域域域中中中中运运运运动动动动的的的的两两两两束束束束相相相相干干干干的的的的带带带带电电电电粒粒粒粒子子子子，其其其其波波波波函函函函数数数数会会会会发发发发生生生生不不不不同同同同的的的的相相相相位位位位变变变变化化化化。这

20、这这这样样样样，当当当当两两两两束束束束带带带带电电电电粒粒粒粒子子子子重重重重新新新新聚聚聚聚合合合合后后后后，就就就就会会会会出出出出现现现现干干干干涉涉涉涉现现现现象象象象。这这这这种种种种干干干干涉涉涉涉现现现现象象象象被被被被称称称称为为为为A-BA-B效效效效应应应应。A-BA-BA-BA-B效效效效应应应应反反反反映映映映了了了了在在在在非弹性自由程内电子的量子干涉行为。非弹性自由程内电子的量子干涉行为。非弹性自由程内电子的量子干涉行为。非弹性自由程内电子的量子干涉行为。第20页，本讲稿共42页第5章 介观Aharonov-Bohm效应实验介观A-B环电子在磁场中沿路径L运动时获

21、得附加相位：当电子围绕一个磁通的路径当电子围绕一个磁通的路径a运动，获得相位附加为：运动，获得相位附加为：左边入射的电子波在遇到环时波束分裂。经过两个半圆环后，在出口相遇并发生干涉。式中，式中，为环路所包围的磁通。为环路所包围的磁通。如果一束电子波被分开为两束相干电子波，包围一定磁通，如果一束电子波被分开为两束相干电子波，包围一定磁通，如果一束电子波被分开为两束相干电子波，包围一定磁通，如果一束电子波被分开为两束相干电子波，包围一定磁通，再重新组合成一束时，无论在路径上有无磁场存在，其叠加再重新组合成一束时，无论在路径上有无磁场存在，其叠加再重新组合成一束时，无论在路径上有无磁场存在，其叠加再

22、重新组合成一束时，无论在路径上有无磁场存在，其叠加后将出现振幅随磁通量变化的振荡，振荡周期为磁通量子后将出现振幅随磁通量变化的振荡，振荡周期为磁通量子后将出现振幅随磁通量变化的振荡，振荡周期为磁通量子后将出现振幅随磁通量变化的振荡，振荡周期为磁通量子 0 0=h h/e e (即即即即 /0 0为整数为整数为整数为整数)。第21页，本讲稿共42页第5章 当电子波在介观样品中的某一点被分开并沿两条不同散射路径前进而后又汇合时会发生干涉，其干涉的结果是磁致电阻随着外磁场的变化以h/e为周期的振荡，这正是实验所观测到的AB效应。第22页，本讲稿共42页第5章 5.4 5.4 普适电导涨落普适电导涨落

23、Back第23页，本讲稿共42页普适电导涨落普适电导涨落 上世纪上世纪上世纪上世纪80808080年代中期，实验上发现一些介观尺度的金属样品年代中期，实验上发现一些介观尺度的金属样品年代中期，实验上发现一些介观尺度的金属样品年代中期，实验上发现一些介观尺度的金属样品电导随外场（如磁场、偏压等）作无规振荡。电导随外场（如磁场、偏压等）作无规振荡。电导随外场（如磁场、偏压等）作无规振荡。电导随外场（如磁场、偏压等）作无规振荡。对不同样品其振荡的图形不同，但对同一样品在外界条件相同的情对不同样品其振荡的图形不同，但对同一样品在外界条件相同的情对不同样品其振荡的图形不同，但对同一样品在外界条件相同的情

24、对不同样品其振荡的图形不同，但对同一样品在外界条件相同的情况下，这种无规振荡的图形完全可以重复，说明这些图形是样品本况下，这种无规振荡的图形完全可以重复，说明这些图形是样品本况下，这种无规振荡的图形完全可以重复，说明这些图形是样品本况下，这种无规振荡的图形完全可以重复，说明这些图形是样品本身所特有的。身所特有的。身所特有的。身所特有的。另一重要特征是，虽然不同样品具有不同的无规振荡图形，电另一重要特征是，虽然不同样品具有不同的无规振荡图形，电另一重要特征是，虽然不同样品具有不同的无规振荡图形，电另一重要特征是，虽然不同样品具有不同的无规振荡图形，电导也可能相差一到几个数量级，但其涨落的幅度是一

25、个量级为导也可能相差一到几个数量级，但其涨落的幅度是一个量级为导也可能相差一到几个数量级，但其涨落的幅度是一个量级为导也可能相差一到几个数量级，但其涨落的幅度是一个量级为 e e2 2/h/h的普适常数，与样品材料、大小、无序程度及电导平的普适常数，与样品材料、大小、无序程度及电导平的普适常数，与样品材料、大小、无序程度及电导平的普适常数，与样品材料、大小、无序程度及电导平均值的大小无关，因此这种涨落称为普适电导涨落均值的大小无关，因此这种涨落称为普适电导涨落均值的大小无关，因此这种涨落称为普适电导涨落均值的大小无关，因此这种涨落称为普适电导涨落（UniversalUniversal Cond

26、uctanceConductance FluctuationsFluctuations）。）。）。）。第24页，本讲稿共42页第5章 材料中的杂质为散射势场的中心，载流子围绕它运动。在低温下，由于栅极的电势，或者由于所加磁场变化都会引起费米能的变化，载流子可能经过不同的路径绕过杂质。在这样的过程中可以产生数量级e2/h的电导变化。e2/h这种量子涨落是介观系统中相当普遍的现象，而且这些涨落是与时间无关的。也就是说，涨落的产生与费米能级的变化相关，在时间上是相当稳定的。载流子通过样品的轨迹依赖于特定的杂质构型关于普适电导涨落的解释第25页，本讲稿共42页第5章 涨涨落落与与散散射射中中心心在在样

27、样品品中中精精确确位位置置分分布布有有关关，所所以以不不同同样样品品有有不不同同的的涨涨落落。因因而而这这种种涨涨落落可可以以作作为为介介观观导导体样品的体样品的“指纹指纹”。只只要要样样品品保保持持在在低低温温，测测量量就就可可以以进进行行，而而且且测测量的结果完全可以重复。量的结果完全可以重复。如如果果加加热热样样品品，杂杂质质将将弛弛豫豫而而重重新新分分布布，即即便便经经加加热热再再冷冷却却，与与加加热热前前相相比比，由由于于杂杂质质构构型型有有所所改变，测量的涨落谱与前也不相同。改变，测量的涨落谱与前也不相同。关于普适电导涨落的解释第26页，本讲稿共42页5.3 普适电导涨落普适电导涨

28、落第27页，本讲稿共42页5.3 普适电导涨落普适电导涨落第28页，本讲稿共42页介观样品的普适电导涨落具有以下介观样品的普适电导涨落具有以下3个特征：个特征：1.这种涨落是与时间无关的非周期涨落，它不是热噪声；这种涨落是与时间无关的非周期涨落，它不是热噪声；2.涨涨落落是是样样品品特特有有的的，且且给给定定样样品品，在在宏宏观观条条件件不不变变的的情情况况下下，涨涨落落图图样是可重现的，因此，这种涨落被称为介观样品的样是可重现的，因此，这种涨落被称为介观样品的“指纹指纹”；3.电电导导涨涨落落的的幅幅值值数数量量级级是是e2/h410-5S，是是一一个个普普适适量量，与与样样品品特特性性（材

29、材料料、尺尺度度、无无序序度度、电电导导平平均均值值等等）无无关关。只只要要样样品品是是介介观观的的，并并处于正常导电区域，即满足处于正常导电区域，即满足FlLL，就会产生电导涨落。，就会产生电导涨落。第5章 第29页，本讲稿共42页第5章 5.5 库仑阻塞效应和单电子隧穿库仑阻塞效应和单电子隧穿Back第30页，本讲稿共42页第5章 库仑阻塞效应表现为静电能量对电子隧穿势垒过程的影响。为说明其中的基本物理过程，取一极板间距极小的平行板电容器：电子要发生从一个极板穿越到另一个极板这一过程，只有满足以电子要发生从一个极板穿越到另一个极板这一过程，只有满足以下条件：下条件：此过程发生后体系能量降低

30、此过程发生后体系能量降低。Q，C第31页，本讲稿共42页第5章 Q，C即在即在Qk kB BT T的的的的要要要要求求求求，其其其其中中中中k kB B是是是是波波波波尔尔尔尔兹兹兹兹曼曼曼曼常常常常数数数数，T T是是是是绝绝绝绝对对对对温温温温度度度度。换换换换句句句句话话话话说说说说，静静静静电电电电能能能能要要要要远远远远远远远远大于热起伏的影响，否则单电子隧穿现象将被热效应所掩盖。大于热起伏的影响，否则单电子隧穿现象将被热效应所掩盖。大于热起伏的影响，否则单电子隧穿现象将被热效应所掩盖。大于热起伏的影响，否则单电子隧穿现象将被热效应所掩盖。（2 2）隧隧道道结结的的电电阻阻RT应应该

31、该远远远远大大于于电电阻阻量量子子RK=h/e2，这这里里h为为普普朗朗克克常常数数。即即隧隧道道结结必必须须有有足足够够高高的的电电阻阻才才能能保保证证静静电电能能量量的的作作用远远大于量子起伏效应所产生的影响。用远远大于量子起伏效应所产生的影响。（3 3）必必须须注注意意实实验验中中从从隧隧道道结结引引出出的的导导线线的的杂杂散散电电容容的的影影响响，以以防防止止其其破破坏坏单单电电子子隧隧穿穿效效应应（通通常常杂杂散散电电容容比比结结电电容容要要大大得得多多，能能完完全全破破坏坏单单电电子子隧隧穿穿，因因此此，一一般般采采用用几几个个结结相相串串联联的的结结构构，并并用用电压源偏执，使得

32、各个结之间彼此保护以避免外界影响。）电压源偏执，使得各个结之间彼此保护以避免外界影响。）第35页，本讲稿共42页第5章 库仑梯级（库仑台阶）库仑梯级（库仑台阶）V+V1QC1，Q1V2岛C2，Q2当两个结很不对称时，即当两个结很不对称时，即C1C2，R1 R2，结在控，结在控制电子运动方面有不同的作制电子运动方面有不同的作用。用。C1保证岛中的静电荷总维持在保证岛中的静电荷总维持在其可能的最大值，而通过这一其可能的最大值，而通过这一器件的电流则由概率较小的器件的电流则由概率较小的C2 决定。决定。一旦有一个电子从岛上隧穿一旦有一个电子从岛上隧穿 C2越出器件，马上便会有一个越出器件，马上便会有

33、一个电子从负端隧穿电子从负端隧穿C1进入岛中，进入岛中，使得静电荷仍保持最大值。使得静电荷仍保持最大值。第36页，本讲稿共42页当当电电源源电电压压Ve/2C2时时，随随V增增加加，两两个个结结上上的的电电压压都都相相应应增增加加。C2上上电电压压增增加加的的结结果果使使得得电电流流升升高高。但但是是Q不不能能连连续续变变化化，仍仍将将保保持持初初始始的的数数值值。当当电电压压增增值值一一定定的的数数值值时时，Q必必须须增增加加一一个个电电子子电电荷荷才才能能维维持持其其可可能能的的最最大大值值，这这就就导导致致Q的的跃跃变变。这这一一跃跃变变使使得得两两个个结结上上的的电电压压都都突突然然变

34、变化化，而而C2上上电电压压的的突突变变就就引引起起电电流流的的跃跃升升。相相对对于于这这种种突突然然的的电电流流跃跃升升，先先前前电电流流随随电电压压的的缓缓慢慢增增加加几几乎乎可可以以忽忽略略，而而当当成成特特性性曲曲线线上上的的平平台台区区域域。于于是是，整整个个特特性性曲曲线线就就表表现现为为平平台台与与跃跃升升交替出现，这就是库仑梯级。交替出现，这就是库仑梯级。第37页，本讲稿共42页孟锋孟锋,蔡理蔡理,李芹李芹,任培林任培林.微电子学与计算机，微电子学与计算机，2005,22(11):9092.第38页，本讲稿共42页有外加栅压的单电子晶体管等效电路图张立辉张立辉,李志刚李志刚,刘

35、明刘明,谢常青谢常青,叶甜春叶甜春.单电子晶体管的数值模拟及特性分析单电子晶体管的数值模拟及特性分析.固体电子学研究与进展固体电子学研究与进展,2006,26(3):300304.第39页，本讲稿共42页单电子晶体管等效电路图单电子晶体管结构示意图单电子晶体管的I-Vg 曲线(库仑台阶)孙海定孙海定,江建军。江建军。单电子晶体管的蒙特卡罗模拟及宏观建模单电子晶体管的蒙特卡罗模拟及宏观建模,微纳电子技术，微纳电子技术，2008，45(4):198204.第40页，本讲稿共42页通过试验发现,C1 和C2 相差越大,曲线台阶越好,当两者相差的倍数达到10以后,曲线基本上达到理想的库仑台阶。第41页，本讲稿共42页本本 章章 要要 点点 与与 作作 业业回答问题：1.讨论电子的弹性散射和非弹性散射在固体中的作用。2.什么是相位相干长度？3.采用平行板电容器解释库仑阻塞效应和单电子隧穿。4.库仑梯级是怎么回事？5.普适电导涨落有什么特征？第第第第 五五五五 章章章章Back第42页，本讲稿共42页