基于碳纳米管的单电子晶体管研究

众所周知，基于CNT分子量子线的晶体管就是一种单电子晶体管^[54]（SingleElectron Transistor，SET）。一个SET含有一个导电量子岛（即量子点），导电量子岛则通过两个隧道结（即量子点接触，用于控制电子进出量子点）分别连接至两个金属电极。若温度和电极之间的偏压所能提供的能量小于电子运动到导电量子岛上所需的能量，则该单电子晶体管处于封锁状态。这通常在（n，n）手性金属CNT中可观察到。准周期系列的尖峰在单电子晶体管的电导率-栅极电压曲线中可观察到。这种器件特性显示了库仑阻塞，也表明当量子点接触的电阻比量子电阻h/e²大，且量子点的电容足够低，以至单个电子给它充电就会引起显著的静电势时，CNT中会出现库仑充电现象。

间距峰值定义如下：

ΔV_g＝（U＋ΔE）/eα （16.10）

式中，U＝e²/C，为每个电子加入量子点时所需的库仑充电能；ΔE为单电子的能级间隔；α＝C_g/C为背栅电压变化时量子点静电势的变化率；C和C_g分别为量子点的电容、量子点与背栅栅极电极间的电容。

一个孤立峰的峰值振幅接近于e²/h。其中，e和h分别是单位电荷和普朗克常量。图16.17给出了单电子晶体管特性的原理示意图。

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图16.17 库仑模型原理图，其中电子传输导致了电导率峰值^[55]

图16.17所示为能级带图显示了栅极电压V_g和漏极电压V间的联系。当量子点带有N个电子时，向单颗粒激发态增加第（N＋1）个电子后U＋ΔE能级分离。以上能级被ΔE均匀地分隔开。高电导率库仑阻塞峰值是金属量子点接触的费米能级与最低空能级对齐的结果，因而允许单电子在V＝0时通过隧道效应穿过量子点。低电导率区域则指明，单电子充电能U会抑制电子的隧穿效应。

隧穿效应对漏极电压V的依赖性即指：电压V增加时，右手边量子点接触的能量状态就会被拉至最高电子充满状态以下，这会允许一个电子穿过隧道结，这就导致了电导率峰值的出现。

随漏极电压V的增加，量子点接触的能量状态就会在低于最高接触状态后继续降低，这允许额外的电子从额外状态下穿过隧道结，导致额外共振电导率峰值的出现。根据观察^[56]，SET的电导率峰值取决于温度。温度增加时，峰变矮、变宽。正如在常规半导体器件中所见的，若量子点、量子点接触的能量状态密度能连续变化，则随温度升高，电导率峰值保持不变。

总之，在正常运行条件下，基于CNT的纳米电子器件有更好的控制特性和电学特性。然而其正常运行条件外，它们会很快退化失效。