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库仑封锁

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库仑封锁是一种现象,其中在包括一个或多个具有低结电容的隧道结电子设备中,当偏置电压小时,电阻会增加。它的名字是查尔斯·库仑后(夏尔·库仑)而得名。

库仑封锁的原理

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**简单的隧道结是其中两个导电电极被薄绝缘层隔开的隧道结。电极正常导体如果是,换句话说超导体甚至半导体如果既不是当前进位的基本电荷等于电荷电子是。如果电极是超导体,则电荷为基本电荷两倍的Cooper对将携带电流。以下描述是针对隧道结(NIN结),该隧道结由夹在N(正常导体)电极之间的I(绝缘势垒)层组成。

库仑封锁

根据经典电磁定律,没有电流可以流过绝缘屏障。但是,根据量子力学定律,电子从势垒一侧移动到另一侧的概率不为零(隧道效应)。这意味着当施加偏置电压时电流流动。在忽略所有额外影响的所谓**近似中,隧穿电流与偏置电压成比例。 用电气工程术语来说,隧道结用作具有恒定电阻的电阻器。或者可以说欧姆定律成立。势垒层的厚度电阻指数虽然依赖,少数的典型厚度的值顺序是。

除了电阻值之外,在其中两个导体将绝缘层夹在中间的结构中产生电容,从而隧道结也具有作为电容器的特性。在这种情况下,绝缘体有时称为介质

因为电荷是离散的,所以当电流流过隧道结时,一个电子实际上通过势垒(隧道)的事件连续发生(两个电子同时隧穿)。这样的过程应该可以忽略不计)。如果偏压不能消除这种情况,则电流减小,从而元件电阻相对于电压不是恒定的(欧姆)。这种将差动电阻增加到接近零偏置的现象称为库仑阻塞

库仑封锁效应发生的条件

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如果要使用相对介电常数为 10且厚度为1 nm的氧化物绝缘层创建平行板电容器型隧道结,且电容为1 fF,则所需电极面积约为100 nm×100 nm有。通过使用电子束光刻荫罩方法创建这种规模的结构并不困难。

单电子晶体管

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使用库仑阻挡效应的**简单元素是所谓的单电子晶体管。在这种情况下,两个隧道结经由具有低自电容的电极串联连接,并且将夹在这些结之间的中心电极称为岛(导体岛,库仑岛)。另一个电极(栅极)静电耦合到岛,从而调节岛电势

当岛内没有能从源电极隧穿电子的能级时,结处于截止状态(上图,红点)。这时,所有低能级都被岛内所占据。

当向栅电极施加正电压时,岛能级向下移动。源电极中的电子(绿点,1.)可以隧穿到岛中并占据先前为空的能级(2.)。电子直接隧穿到漏电极(3.),在那里它们引起非弹性散射并落入漏电极(4.)的费米能级

库仑封锁温度计

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典型的库仑阻塞温度计由许多金属岛组成,这些金属岛与薄的阻隔层连续连接。由于在岛之间形成了隧道结,因此在施加电压时电子会通过结。隧道频率或电导率取决于系统温度和孤岛静电能。库仑封锁温度计是利用隧道结阵列的传导特性的初级温度计

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