纳米技术及其应用-第五章.ppt

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1、第五章第五章 介观系统中的量子干涉现象介观系统中的量子干涉现象 纳米技术及其应用纳米技术及其应用第第5章章 介观系统中的量子干涉现象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第5章章系系统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第5章章微观系统：微观系统：尺度为原子、分子大小的数量级（尺度为原子、分子大小的数量级（），其中包），其中包含的粒子数量不多，系统的物理性质决定于量子力含的粒子数量不

2、多，系统的物理性质决定于量子力学规律，波粒二象性，波函数的相位起着重要作用。学规律，波粒二象性，波函数的相位起着重要作用。第第5章章宏观系统：宏观系统：尺度远大于原子，包含数量极多的微观粒子。其物理尺度远大于原子，包含数量极多的微观粒子。其物理性质不能只由力学规律决定，而是大量微观粒子运动性质不能只由力学规律决定，而是大量微观粒子运动的统计平均。统计平均的结果，除少数如超导、超流的统计平均。统计平均的结果，除少数如超导、超流等宏观量子现象之外，微观粒子波函数相位的作用被等宏观量子现象之外，微观粒子波函数相位的作用被掩盖而显示不出来。掩盖而显示不出来。第第5章章介观系统：介观系统：介于宏观系统和

3、微观系统之间的细小系统，是微观介于宏观系统和微观系统之间的细小系统，是微观尺度的尺度的1001000倍，包含多达倍，包含多达1081011个的微观个的微观粒子；可以在实验室中制备，但具有种种量子力学粒子；可以在实验室中制备，但具有种种量子力学效应，粒子的波动性，粒子波函数相位的相干叠加效应，粒子的波动性，粒子波函数相位的相干叠加并没有被统计平均所掩盖。并没有被统计平均所掩盖。第第5章章介观物理研究与微电子加工技术，特别是光刻介观物理研究与微电子加工技术，特别是光刻技术的高度发展分不开，这些技术的发展使得可以技术的高度发展分不开，这些技术的发展使得可以在微米和亚微米长度上制造元件，使得检验介观系

4、在微米和亚微米长度上制造元件，使得检验介观系统各种量子干涉效应成为可能。统各种量子干涉效应成为可能。目前的研究发现，只要温度足够低，样品尺度目前的研究发现，只要温度足够低，样品尺度足够小（介观尺度），就普遍表现出各种源于电子足够小（介观尺度），就普遍表现出各种源于电子波动性的量子干涉效应。波动性的量子干涉效应。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电导的非定域性和介观环上的持电导的非定域性和介观环上的持电导的非定域性和介观环上的持续电流续电流续电流续电流5.3 5.3 A-BA-BA-BA-B效应效应效应效应5.4 5.4 普适电导

5、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第5章章 5.1 弹性散射和非弹性散射弹性散射和非弹性散射Back5.1 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通常在计算含有大量粒子的大块固体的输运性质通常在计算含有大量粒子的大块固体的输运性质通常在计算含有大量粒子的大块固体的输运性质时采用时采用时采用时采用 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。BoltzmannBoltzmannBoltzmannBoltzmann理理理理论论论论包包包包含

6、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

7、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

8、之间间间间的干涉可以忽略，电子表现出粒子性。的干涉可以忽略，电子表现出粒子性。的干涉可以忽略，电子表现出粒子性。的干涉可以忽略，电子表现出粒子性。波尔兹曼波尔兹曼波尔兹曼波尔兹曼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：试想一下：试想一下：如果散射的电子波之间相互叠加，将如果散射的电子波之间相互叠加，将如果散射的电子波之间相互叠加，将如果散射的电子波之间相互叠加，将会有什么效果？会有什么效果？会有什么效果？会有什么效果？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：一类散射一类散射一类散射一类散射是电子与各种晶粒缺陷（化学

9、杂质、空是电子与各种晶粒缺陷（化学杂质、空是电子与各种晶粒缺陷（化学杂质、空是电子与各种晶粒缺陷（化学杂质、空位、晶粒间界、粗糙界面等）之间的散射。由于位、晶粒间界、粗糙界面等）之间的散射。由于位、晶粒间界、粗糙界面等）之间的散射。由于位、晶粒间界、粗糙界面等）之间的散射。由于散射体质量远大于电子，这种散射基本上是弹性散射体质量远大于电子，这种散射基本上是弹性散射体质量远大于电子，这种散射基本上是弹性散射体质量远大于电子，这种散射基本上是弹性的，不改变电子能量，而只改变电子的动量（运的，不改变电子能量，而只改变电子的动量（运的，不改变电子能量，而只改变电子的动量（运的，不改变电子能量，而只改变

10、电子的动量（运动方向），称之为动方向），称之为动方向），称之为动方向），称之为弹性散射弹性散射弹性散射弹性散射。另一类散射另一类散射另一类散射另一类散射是电子与晶格振动（声子），电子与是电子与晶格振动（声子），电子与是电子与晶格振动（声子），电子与是电子与晶格振动（声子），电子与电子之间的散射。这种散射是非弹性的，引起能电子之间的散射。这种散射是非弹性的，引起能电子之间的散射。这种散射是非弹性的，引起能电子之间的散射。这种散射是非弹性的，引起能量在电子声子、电子电子之间的转移，称之量在电子声子、电子电子之间的转移，称之量在电子声子、电子电子之间的转移，称之量在电子声子、电子电子之间的转移，称之

11、为为为为非弹性散射非弹性散射非弹性散射非弹性散射。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：电子保持相位记忆（即两次非弹性散射之间）的平电子保持相位记忆（即两次非弹性散射之间）的平电子保持相位记忆（即两次非弹性散射之间）的平电子保持相位记忆（即两次非弹性散射之间）的平均路程，称为电子的相位相干长度，表示符号为：均路程，称为电子的相位相干长度，表示符号为：均路程，称为电子的相位相干长度，表示符号为：均路程，称为电子的相位相干长度，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，电子波的相干叠加支时，电子波的相干叠加支时，电子

12、波的相干叠加支时，电子波的相干叠加支配着电子的输运性质，像这种样品尺寸的系统就配着电子的输运性质，像这种样品尺寸的系统就配着电子的输运性质，像这种样品尺寸的系统就配着电子的输运性质，像这种样品尺寸的系统就是介观系统。是介观系统。是介观系统。是介观系统。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

13、距离离离离内内内内，电子随机行走而不破坏其相位记忆。电子随机行走而不破坏其相位记忆。电子随机行走而不破坏其相位记忆。电子随机行走而不破坏其相位记忆。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同同同杂杂杂杂质质质质相相相相继继继继散散散散射射射射）的的的的电电电电子子子子是是是是同同同同相相相相的的的的，即

14、即即即彼彼彼彼此此此此相干的。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长长长度度度度的的的的正正正正常常常常金金金金属属属属中中中中观观观观察察察察到到到到长长长长程程程程相相相相位位位位相相相相干干干干有有有有关关关关的效应的效应的效应的效应!第第5章章 5.2 电导的非定域性和介观电导的非定域性和介观环上的持续电流环上的持续电流Back第第5章章 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

15、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，导导体体导电性与样品的尺度密切相关，而且，欧姆定律失效。导电性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）相相位位弛弛豫豫长长度度，电电子子的的初初始始相

16、相位位破破坏坏之之前前运运动动的距离。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当。这使得欧姆定律不再成立。相当。这使得欧姆定律不再成立。第第5章章 对对于于尺尺寸寸 的的纳纳米米电电子子结结构构，电电导导会会呈呈现现非非定定域域性性的特征。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。第第5章章 5.3 A-B效应效应BackA-B效应效应 在在在在经经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

17、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

18、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BohmBohm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

19、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

20、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 A-B B效效效效应应应应。A-BA-BA-BA-B效应反映了在非弹性自由程内电子的量子干涉行为。效应反映了在非弹性自由程内电子的量子干涉行为。效应反映了在非弹性自由程内电子的量子干涉行为。效应反映了在非弹性自由程内电子的量子干涉行为。第第5章章 介观介观Aharonov-BohmAharonov-Bohm效应效应实验实验介观介观A-B环环电子在磁场中沿路径电子在磁场中沿路径L运动时获得附加相位：运动时获得附加相位：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

21、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。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，包围一定磁如果一束电子波被分开为两束相干电子波，包围一定磁如果一束电子波被分开为两束相干电子波，包围一定磁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，通，再重新组合成一束时，无论在路径上有无磁场存在，通，再重新组合成一束时，无论在路径上有无磁场存在，通，再重新组

22、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，振荡周期为其叠加后将出现振幅随磁通量变化的振荡，振荡周期为其叠加后将出现振幅随磁通量变化的振荡，振荡周期为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磁通量子磁通量子磁通量子 0 0=h h/e e (即即即即 /0 0为整数为整数为整数为整数)。第第5章章 当当电电子子波波在在介介观观样样品品中中的的某某一一点点被被分分开开并并沿沿两两条条不不同同散散射射路路径径前前进进而而后后又又汇汇合合时时会会发发生生干干涉涉，其其干干涉涉的的结结果果是是磁磁致致电电阻阻随随着着外外磁磁场场的的变变化化以以h/e为为

23、周周期期的的振振荡荡，这这正正是是实实验验所所观观测测到到的的AB效应。效应。第第5章章 5.4 普适电导涨落普适电导涨落Back普适电导涨落普适电导涨落 上世纪上世纪上世纪上世纪8080年代中期，实验上发现一些介观尺度的金属样年代中期，实验上发现一些介观尺度的金属样年代中期，实验上发现一些介观尺度的金属样年代中期，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。品电导随外场（如磁场、偏压等）作无规振荡。品电导随外场（如磁场、偏压等）作无规振荡。品电导随外场（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对不同样品其振荡的图形不同，但对同一

24、样品在外界条对不同样品其振荡的图形不同，但对同一样品在外界条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，件相同的情况下，这种无规振荡的图形完全可以重复，件相同的情况下，这种无规振荡的图形完全可以重复，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身所特有的。说明这些图形是样品本身所特有的。说明这些图形是样品本身所特有的。说明这些图形是样品本身所特有的。另一重要特征是，虽然不同样品具有不同的无规振荡图另一重要特征是，虽然不同样品具有不同的无规振荡图另一重要特征是，虽然不同样品具有不同的无规振荡图另一重要特征是，虽然不同样品

25、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，但其涨落的幅度形，电导也可能相差一到几个数量级，但其涨落的幅度形，电导也可能相差一到几个数量级，但其涨落的幅度形，电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是一个量级为是一个量级为是一个量级为 e e2 2/h/h的普适常数，与样品材料、大小、无的普适常数，与样品材料、大小、无的普适常数，与样品材料、大小、无的普适常数，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序程度及电导平均值的大小无关，因此这种涨落称为普序程度及电导平均值的大小无关，因此这种涨落称为普序程度及电导平均值的大小无关，因此这种涨落称为

26、普适电导涨落（适电导涨落（适电导涨落（适电导涨落（Universal Conductance FluctuationsUniversal Conductance Fluctuations）。）。）。）。第第5章章 材材料料中中的的杂杂质质为为散散射射势势场场的的中中心心，载载流流子子围围绕绕它它运运动动。在在低低温温下下，由由于于栅栅极极的的电电势势，或或者者由由于于所所加加磁磁场场变变化化都都会会引引起起费费米米能能的的变变化化，载载流流子子可可能能经经过过不不同同的的路路径径绕绕过过杂质。杂质。在在这这样样的的过过程程中中可可以以产产生生数数量量级级e2/h的的电电导导变变化化。e2/h这

27、这种种量量子子涨涨落落是是介介观观系系统统中中相相当当普普遍遍的的现现象象，而而且且这这些些涨涨落落是是与与时时间间无无关关的的。也也就就是是说说，涨涨落落的的产产生生与与费费米米能能级级的的变变化化相相关关，在在时时间间上上是是相相当当稳定的。稳定的。载流子通过样品的轨迹载流子通过样品的轨迹依赖于特定的杂质构型依赖于特定的杂质构型关于普适电导涨落的解释关于普适电导涨落的解释第第5章章 涨涨落落与与散散射射中中心心在在样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为介观导体样品的作为介观导体样品的“指纹指纹”。

28、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，而而且测量的结果完全可以重复。且测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所改变，测量的涨落谱与前也不相同。有所改变，测量的涨落谱与前也不相同。关于普适电导涨落的解释关于普适电导涨落的解释5.3 普适电导涨落普适电导涨落5.3 普适电导涨落普适电导涨落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

29、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，涨涨落落图图样样是是可可重重现现的的，因因此此，这这种种涨涨落落被被称称为为介介观观样样品的品的“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，并并处处于于正正常常导导电电区区域域，即即满满足足FlLL，就会产生电导涨落。，就会产生电导涨落。第第5章章 第第5章章 5.5

30、 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第第5章章 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。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：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：以下条件：此过程发生后体系能量降低此过程发生后体系能量降低。Q，C第第5章章 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

31、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大大大于于于于热热热热起起起起伏伏伏伏的的的的影影影影响响响响，否否否否则则则则单单单单电电电电子子子子隧隧隧隧穿穿穿穿现现现现象象象象将将将将被被被被热效应所掩盖。热效应所掩盖。热效应所掩盖。热效应所掩盖。（2 2）隧隧道道结结的的电电阻阻RT应应该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能量的作用远远大于量子起

32、伏效应所产生的影响。电能量的作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，并并用用电电压压源源偏偏执执，使使得得各各个个结结之之间间彼彼此此保保护护以以避避免外界影响。）免外界影响。）第第5章章 库仑梯级（库仑台阶）库仑梯级（库仑台阶）V+V1QC1，Q1V2岛岛C2，Q2当两个结

33、很不对称时，即当两个结很不对称时，即C1C2，R1 R2，结在，结在控制电子运动方面有不同控制电子运动方面有不同的作用。的作用。C1保证岛中的静电荷总维持保证岛中的静电荷总维持在其可能的最大值，而通过在其可能的最大值，而通过这一器件的电流则由概率较这一器件的电流则由概率较小的小的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，马上便会有一越出器件，马上便会有一个电子从负端隧穿个电子从负端隧穿C1进入岛进入岛中，使得静电荷仍保持最大中，使得静电荷仍保持最大值。值。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

34、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

35、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交替替出出现现，这这就就是是库库仑仑梯级。梯级。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.有外加栅压的单电子晶体有外加栅压的单电子晶体管等效电路图管等效电路图张立辉张立辉,李志刚李志刚,刘明刘明,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.固体电子学研究与固体电子学研究与进展进展,2006,26(3):300304.单电子晶体管等效电路图单电子晶体管等效电路图单电子晶体管结构示意

36、图单电子晶体管结构示意图单电子晶体管的单电子晶体管的I-Vg 曲线曲线(库仑台阶库仑台阶)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.通过试验发现通过试验发现,C1 和和C2 相差越大相差越大,曲线曲线台阶越好台阶越好,当两者相差的倍数达到当两者相差的倍数达到10以以后后,曲线基本上达到理想的库仑台阶。曲线基本上达到理想的库仑台阶。本本 章章 要要 点点 与与 作作 业业回答问题：回答问题：1.讨论电子的弹性散射和非弹性散射在固体讨论电子的弹性散射和非弹性散射在固体中的作用。中的作用。2.什么是相位相干长度？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采用平行板电容器解释库仑阻塞效应和单电子隧穿。电子隧穿。4.库仑梯级是怎么回事？库仑梯级是怎么回事？5.普适电导涨落有什么特征？普适电导涨落有什么特征？第第第第 五五五五 章章章章Back