專利名稱：納米電子器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用電子在納米數(shù)量級的小尺寸時(shí)的性能的納米電子器件(nanoelectronic device)。
作為背景知識，眾所周知在原子或分子大小或納米(nm)時(shí)，在適當(dāng)?shù)牟牧现?，電子的傳輸性能會發(fā)生顯著改變。為了得到電子的無散射高遷移率、使得電子具有長的平均自由程(即可認(rèn)為電子在其流動路徑中是彈道式的)，通常要形成所謂的二維電子氣(2DEG)。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的一種途徑示于

圖1A，即在摻有雜質(zhì)14的幾個(gè)微米厚的GaAs層12上形成非常薄的(≤100nm)AlGaAs層10。在高純度的襯底16上形成層12。如圖1B所示，在層10和12的邊界18處電子的能級有一個(gè)“阱”。從電離了的雜質(zhì)中出來的電子轉(zhuǎn)移到阱18中。在此區(qū)域，電子沿生長方向具有量子化的能量狀態(tài)，而且在這些層的平面內(nèi)有非常長(約數(shù)微米)的平均自由程。此數(shù)字適用于接近絕對零度的溫度，隨著溫度升高，散射光子的數(shù)量增多，這減小了平均自由程。
獲得2DEG的另一種結(jié)構(gòu)示于圖2A，其中已經(jīng)形成InP層20、22，在InP層20、22之間形成非常薄(約20nm厚)的GaInAs層24。這構(gòu)成了一種量子阱器件，其能級示于圖2B。在量子阱區(qū)域24中，電子具有長的平均自由程。
所謂的量子點(diǎn)觸點(diǎn)是令人感興趣的。點(diǎn)觸點(diǎn)的形成就是將兩個(gè)金屬部件壓在一起使電流可以流過這樣形成的點(diǎn)觸點(diǎn)。量子點(diǎn)觸點(diǎn)在材料中形成一種窄的縮頸，電子可以流過，縮頸的寬度與電子在該材料中的費(fèi)密波長可相比擬，大大小于其平均自由程。在這種觸點(diǎn)中呈現(xiàn)量子力學(xué)效應(yīng)。例如，圖3A所示的量子點(diǎn)觸點(diǎn)包括窄的縮頸32，在兩個(gè)光滑的凸阻擋層34之間，寬度約為10-100nm。阻擋層34確定區(qū)域36的邊界，在該區(qū)域中電子的費(fèi)密波長大約為50-100nm。電子在低溫下的平均自由程是幾個(gè)微米。這種器件的理論表述可參閱Physical Review B 15 April 1990，41，pages 7906-7909“Quantised transmission of a saddle-point constriction”-M.Buttiker?？s頸把電子狀態(tài)約束在跨接所述兩個(gè)阻擋層的方向上?？s頸的相對的兩側(cè)的寬區(qū)域提供了局部均衡的電子儲存器。儲存器之間的電化學(xué)勢能差感生了通過縮頸的電流，可以看出在線性響應(yīng)狀態(tài)下縮頸的電導(dǎo)具有“階梯”形狀，隨在儲存器中化學(xué)勢能差μ而上升。
電子Y-分支開關(guān)(YBS)是這樣一種器件即從Y的主干注入的電子在電場的作用下選擇性地流入Y的兩個(gè)分支。YBS及類似器件的性能已有研究--見例如Applied Physics Letters 60(2)13 January1992，pages 237-239“Analysis of an electron-wave Y-branchswitch”，Palm and Thylen。當(dāng)做得足夠小時(shí)，YBS可以看作是一個(gè)三端器件，其中Y的分支用來從器件中提供和支取電流，而在Y的主干測量電化學(xué)勢能，--見IBM J.Res.Develop.Vol.32 No.3，May1988，p.317-331“Symmetry of Electrical Conduction”，-M.Buttiker。對于對稱器件，在線性響應(yīng)狀態(tài)，主干上的電化學(xué)勢能就是加在左右分支上的電化學(xué)勢能的平均值，因此，在左右分支上所加的電壓相等并相反時(shí)，在主干上測得的電壓為零。
DE-A-19757525公開了一種整流裝置，包括在共線電流流動通路之間的結(jié)處作三角形刻蝕，以便在與電流通路垂直的通路上感生整流電壓。
Science，Volume 283，19，March 1999“An adiabatic quantumelectron pump”Swikes等，報(bào)道了一種量子抽運(yùn)機(jī)制，可對開放量子點(diǎn)中約束勢能的循環(huán)變形作出響應(yīng)而產(chǎn)生DC電流或電壓。
US-A-5369288公開了一種量子半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)，其輸出基本上沒有散射效應(yīng)。US-A-5270557公開了一種量子點(diǎn)觸點(diǎn)，它在觸點(diǎn)的縮頸區(qū)上有一個(gè)控制電極。EP-A-0626730公開了一種納米級制造的邏輯器件，它包括能提供多種邏輯電平的非對稱耦合量子點(diǎn)觸點(diǎn)。EP-A-0461867公開了一種設(shè)置在兩個(gè)量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)之間的折射結(jié)構(gòu)，用以提供開關(guān)作用。
第一方面，本發(fā)明提供一種電子器件，它包括提供彈道式電子流的區(qū)域；提供流入或流出所述區(qū)域的電子流的至少第一和第二電導(dǎo)通路，每個(gè)通路的電導(dǎo)隨其中電子能量而變化；用于將外部電位加到一個(gè)或兩個(gè)通路上的裝置；以及用于檢測在所述區(qū)域建立的電位的裝置。
按照本發(fā)明，在所述區(qū)域建立電位，所述電位取決于第一和第二電導(dǎo)通路的狀態(tài)。按照本發(fā)明，在所加電位和檢測電位之間通常存在非線性關(guān)系。因此，該器件在非線性狀態(tài)下工作，所加電位可以是數(shù)伏，檢測電位也是數(shù)伏。這與工作在線性狀態(tài)的原有技術(shù)器件不同，這些器件的電位最大不過幾毫伏。
檢測電位可以用來影響鄰近器件的工作，如下述，為此其中心區(qū)域可以采用提供探針的主干(stem)形式。但在實(shí)際中在某些情況下很難檢測在該區(qū)域中建立的電位。
按照本發(fā)明的一種更具體的形式，本發(fā)明提供一種電子器件，它包括提供彈道式電子流的區(qū)域；提供流入或流出所述區(qū)域的電子流的至少第一、第二和第三電導(dǎo)通路，每個(gè)通路的電導(dǎo)隨其中電子能量而變化；用于將外部電位加到一個(gè)或多個(gè)通路上的裝置；以及用于檢測一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電通路上的電位(或有關(guān)參數(shù))的裝置。
在通常的工作條件下，在所加電位和檢測電位或有關(guān)參數(shù)之間存在非線性關(guān)系。其電導(dǎo)是線性響應(yīng)電導(dǎo)，電導(dǎo)值G＝I/V。
所述外部電位通常是電壓或電化學(xué)電位，但也可預(yù)見有其他的能量電位源。同理，檢測電位一般也是電壓或電化學(xué)電位，存在于遠(yuǎn)離所述區(qū)域的電導(dǎo)通路中。
利用電化學(xué)電位可以方便地說明本發(fā)明的器件以及進(jìn)行測量，因?yàn)殡娀瘜W(xué)電位可以精確地測定。電化學(xué)電位是與化學(xué)電位有關(guān)的、附加一項(xiàng)-eV的電位，其中-e是電子的電荷，V是所加電壓?；瘜W(xué)電位μ是定義明確的熱力學(xué)量μdN＝dU+pdV-TdS式中各項(xiàng)具有熱力學(xué)的通常意義。
通常在局部電子儲存器上加上或檢測電位(這些局部電子儲存器存在于遠(yuǎn)離提供彈道電子流的所述區(qū)域的電導(dǎo)通路外端上的電觸點(diǎn)處)，實(shí)際上執(zhí)行這些操作更簡單。在這種儲存器中存在局部電化學(xué)電位。另一方面，或者以附加的方式，為了控制電導(dǎo)通路的電導(dǎo)，可以在位于靠近電導(dǎo)通路但卻與之電絕緣的柵極上加外部電壓。這種柵極通過調(diào)制電導(dǎo)通路內(nèi)的耗盡區(qū)工作。加外部電壓改變了注入電導(dǎo)通路的電子能量，感生了流過通路的電子流。因此每個(gè)電導(dǎo)通路形成用于電子流的端子或端口?？梢栽谶@些端子或端口上施加或監(jiān)控電壓和電流。在一些應(yīng)用中，通路中不一定有電流流動，但可以監(jiān)測在通路上建立的電壓或?qū)⑵渥鳛樘綔y電壓。
按已知的方式，用觸點(diǎn)構(gòu)成本發(fā)明器件電導(dǎo)通路的外部電接觸，以允許電流流動以及施加外部電壓。該觸點(diǎn)作為電子的局部儲存器，是用于影響器件特性的工作儲存器。
在另一方面，本發(fā)明提供一種電子器件，它包括提供彈道式電子流的區(qū)域；用于流入或流出所述區(qū)域的電子流的至少第一和第二電導(dǎo)通路，每個(gè)通路有一個(gè)限定電化學(xué)電位的至少暫時(shí)局部平衡的電子儲存器；以及用于向各儲存器施加第一和第二電壓的裝置，第一和第二電導(dǎo)通路具有這樣的性質(zhì)、使得通過每個(gè)第一和第二電導(dǎo)通路的電子流的電導(dǎo)值取決于所施加的電壓，從而對于通過所述通路的電子流創(chuàng)建一種非線性整流或晶體管作用。
在再一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種電子器件，它包括提供彈道式電子流的區(qū)域；用于流入或流出所述區(qū)域的電子流的至少第一、第二和第三電導(dǎo)通路，每個(gè)通路有一個(gè)限定電化學(xué)電位的至少暫時(shí)局部平衡的電子儲存器；以及用于向與第一和第二通路相關(guān)聯(lián)的儲存器施加第一和第二電壓的裝置，所述第一、第二和第三電導(dǎo)通路具有這樣的性質(zhì)、使得通過每條通路的電子流的電導(dǎo)值取決于所加電壓，從而對于通過所述通路的電子流創(chuàng)建一種非線性整流或晶體管作用。
電導(dǎo)通路在電導(dǎo)和通過電導(dǎo)通路的電子能量之間可以具有任何所需的關(guān)系，只要不是恒定(歐姆)的。電子能量一般取決于溫度和所加電壓以及任何其他施加的外力。在電導(dǎo)通路是量子點(diǎn)觸點(diǎn)的情況下，如上述，線性響應(yīng)電導(dǎo)在低溫時(shí)呈階梯形狀，隨儲存器中的化學(xué)電位而上升。但也可預(yù)見有其他類型的電導(dǎo)通路，例如量子導(dǎo)線、電流和電壓具有非線性關(guān)系的硅納米導(dǎo)線器件、諧振隧道效應(yīng)器件或量子點(diǎn)。對于諧振隧道效應(yīng)器件或量子點(diǎn)，電導(dǎo)以一系列峰值來表示，用于提高電壓或儲存器中的化學(xué)電位。
所述區(qū)域可以包括在電導(dǎo)通路之間形成中心結(jié)的小區(qū)域。另一方面，該區(qū)域可以覆蓋本發(fā)明的整個(gè)器件，則通過在該區(qū)域內(nèi)刻蝕或其他方法來形成電導(dǎo)通路，以便形成進(jìn)入或流出該中心區(qū)域的電子流通路。在這種結(jié)構(gòu)中，整個(gè)器件可以看作是所謂的彈道結(jié)。
在電導(dǎo)通路是量子點(diǎn)觸點(diǎn)時(shí)，它由電子流通路中的縮頸或鞍形點(diǎn)形成?？s頸用刻蝕法形成，以便提供阻擋壁的光滑輪廓。但可預(yù)見有其他形成縮頸的裝置，例如，在流通通路的任一側(cè)提供電子耗盡的疊加分割柵極。
該器件可以采取許多幾何形狀，通過電導(dǎo)通路的電子流通路從中心區(qū)以任何所需的角度延伸，形成具有例如T，Y，ε或箭頭等形狀的器件。此處說明的一種方便的形狀是具有基座(或主干)和分支(或臂)的Y形；但本發(fā)明不限于該具體幾何形狀。
本發(fā)明的器件通常由三條電導(dǎo)通路形成，但在某些應(yīng)用中可能需要多于三條通路。
在一種工作模式下，發(fā)現(xiàn)如果在兩條電導(dǎo)通路上加交流電壓，則在第三條電導(dǎo)通路上會感生單極性電壓。換句話說，該器件起整流器的作用。實(shí)質(zhì)上，流動通路的傳輸率取決于電子注入時(shí)的能量。這樣，如果將正電壓加到所述通路之一，那么，注入的電子能量將減小、因而該分支的傳輸率下降。如果將負(fù)電壓加到另一條通路上，那么，電子能量增加、因而該分支的傳輸率增加。流入第三通路的負(fù)電子流將取決于來自傳輸率高的通路的電子流，而流出則取決于傳輸率低的通路。因此，當(dāng)電壓加在推挽式兩條對稱通路上時(shí)在第三通路中就會有電子的凈積聚，所以有負(fù)電壓輸出。
在本發(fā)明的另一種工作模式下，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電壓加在兩條電導(dǎo)通路上使電子流從一條通路流到另一條時(shí)，電子流會受加到第三條電導(dǎo)通路的觸點(diǎn)上的電壓的影響。第三條電導(dǎo)通路的觸點(diǎn)上的電壓可以從外部源施加，或者該電壓可以由其他兩條通路之間的電壓或電子流感生。而且，還發(fā)現(xiàn)在第三通路感生的電壓與跨接其他兩條通路的電壓成線性關(guān)系。因此，對于一條導(dǎo)電通路的觸點(diǎn)處的給定電壓、在加在另一通路的觸點(diǎn)的電壓感生電子流的情況下，就會在第三通路感生電壓，并且在第二通路觸點(diǎn)的所加電壓和第三通路的感生電壓之間存在非線性關(guān)系。該非線性關(guān)系基本上分兩級，最初是初始線性關(guān)系，然后是飽和區(qū)。這種特性與晶體管特性類似。在這種“晶體管”工作模式下，一條通路(比如說第一條)的觸點(diǎn)保持在恒定電壓，它表示某一電化學(xué)電位和費(fèi)密能級。于是，當(dāng)電壓加到另一條通路(比如說第二條)的觸點(diǎn)時(shí)，在第三電導(dǎo)通路感生電壓，并且該感生電壓會受第一電導(dǎo)通路觸點(diǎn)上電壓的影響。最初，對于第二電導(dǎo)通路的低電壓，第一電導(dǎo)通路對于第三電導(dǎo)通路感生的電壓作用極小。這就導(dǎo)致第三電導(dǎo)通路的電壓隨第二電導(dǎo)通路觸點(diǎn)的電壓升高而大致呈線性增加。但當(dāng)?shù)诙妼?dǎo)通路觸點(diǎn)的電壓達(dá)到這樣一種電平、即、相關(guān)的費(fèi)密能級接近并低于第一電導(dǎo)通路觸點(diǎn)處的費(fèi)密能級時(shí)，第一電導(dǎo)通路就成為電子流的凈提供者，且對于第二電導(dǎo)通路觸點(diǎn)處升高的電壓，第三電導(dǎo)通路的電壓趨向于保持恒定不變。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選形式中，2DEG區(qū)域提供第一和第二電導(dǎo)通路之間的電子流通路。導(dǎo)電區(qū)自兩條電導(dǎo)通路之間的電流通路延伸，形成感生電位的主干或突出物。此主干或突出物可以用作控制另一器件的控制探針或電極，例如在電子波導(dǎo)中它可以凸向電子流的通路以控制其中的電子流，從而獲得整流作用。
本發(fā)明的器件可以用來從所加頻率產(chǎn)生二次或更高次諧波振蕩、即、產(chǎn)生二倍頻或更高階倍頻。
本發(fā)明的器件可以用來實(shí)現(xiàn)邏輯“AND”或“OR”功能。
已知雙極型和FET型晶體管已經(jīng)達(dá)到小型化，不容易作得更小了。因此需要新型的器件。US-A-5367274和US-A6091267就是實(shí)例。但需要進(jìn)一步的改進(jìn)。
在另一方面，本發(fā)明提供一種電子器件，它包括第一、第二和第三端子，每個(gè)端子包括電觸點(diǎn)，由向彈道電子流的中心區(qū)域提供電子流的相應(yīng)的電導(dǎo)通路連接，該結(jié)構(gòu)要使加在第一和第二端子上的輸入信號電位按照預(yù)定的邏輯功能提供第三端子上的輸出信號電位。
還有一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種電子器件，它包括第一，第二和第三端子，每個(gè)端子包括電觸點(diǎn)，由向彈道電子流的中心區(qū)域提供電子流的各電導(dǎo)通路相連接，該結(jié)構(gòu)具有這樣的性質(zhì)、使得加在第一和第二端子上的輸入信號電位按照AND或OR邏輯功能在第三端子上提供輸出信號電位。
圖1A和1B是提供2DEG的已知異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和能量特性的示意圖；圖2A和2B是提供2DEG的已知量子阱結(jié)構(gòu)的截面結(jié)構(gòu)和能量圖；圖3A是由光滑縮頸形成的量子點(diǎn)觸點(diǎn)，用來解釋本發(fā)明，而圖3B是低溫下具有鞍形點(diǎn)縮頸的點(diǎn)觸點(diǎn)的線性響應(yīng)電導(dǎo)與化學(xué)電位μ的關(guān)系的曲線圖；圖4是本發(fā)明第一實(shí)施例的示意圖；圖5是相對于加到側(cè)柵極的電壓繪制的與通過圖4實(shí)施例的電導(dǎo)通路的電子相關(guān)聯(lián)的傳輸軌跡；圖6是顯示圖4的第三電導(dǎo)通路上測得的電壓的曲線圖，所述測得的電壓是加在左電導(dǎo)通路上電壓的函數(shù)，而右電導(dǎo)通路上的電壓以推挽方式變化；圖7是從第三電導(dǎo)通路輸出的電壓與加到左電導(dǎo)通路上電壓之間關(guān)系的曲線圖，這些值是表明實(shí)驗(yàn)和理論之間對應(yīng)關(guān)系的計(jì)算值；圖8是配置成二極管的圖4器件的特性曲線；圖9和10是圖4的第一實(shí)施例中在各種電壓加到第二電導(dǎo)通路的情況下第一和第三電導(dǎo)通路之間的計(jì)算的電壓關(guān)系的曲線圖；圖11是本發(fā)明的第二實(shí)施例的平面圖，包括器件中心部分的掃描電子顯微圖；圖12是本發(fā)明器件的概念圖；圖13A和13B是說明本發(fā)明器件用作邏輯門的概念圖；圖14是顯示關(guān)于輸入掃描電壓的輸出電壓的曲線圖，舉例說明本發(fā)明器件作為倍頻器件的應(yīng)用；圖15是包括在提供AND功能的電路中的本發(fā)明器件的電路圖；圖16是包括為提供AND功能而互連的本發(fā)明的兩個(gè)器件的邏輯電路的示意圖；圖17是包括為提供NAND功能而互連的本發(fā)明的兩個(gè)器件的邏輯電路的示意圖；以及圖18是提供倒相器功能的本發(fā)明器件的示意的電路圖。
優(yōu)選實(shí)施例的描述在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，電子器件在非線性范疇工作。器件由高遷移率的GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成。在高遷移率區(qū)域內(nèi)形成三條互連的電導(dǎo)通路。該器件形成幾何Y形，具有左右分支和主干。當(dāng)有限電壓Vl和Vr以推挽方式(Vl＝-Vr)加到左右分支，同時(shí)保持中心主干電導(dǎo)通路浮動時(shí)，主干電導(dǎo)通路的測得電壓始終為負(fù)。對于用經(jīng)典導(dǎo)體制成的已知對稱的YBS，該結(jié)果是不能預(yù)期的，對于這類YBS，歐姆定律表示主干的零輸出，Vc＝0。
顯然，局部均衡的電子儲存器連接到每個(gè)電導(dǎo)通路。每個(gè)儲存器具有各自的局部費(fèi)密能級和各自的電化學(xué)電位。在電導(dǎo)通路有歐姆觸點(diǎn)的情況下，電化學(xué)電位將定義為歐姆觸點(diǎn)處的電化學(xué)電位。
圖4是采用電子束平印術(shù)和濕化學(xué)刻蝕法由調(diào)制摻雜的GaAs/AlGaAs異質(zhì)結(jié)構(gòu)制成的電子器件的區(qū)域40的示意的透視圖。該器件具有二維電子氣，位于表面下80nm。在未加工的硅圓片上，在4.2K測定的載流子密度和遷移率分別為3.7×1011cm-2和2×106cm2/Vs。區(qū)域40對電子流具有彈道傳輸特性，平均自由程遠(yuǎn)大于該區(qū)域的寬度。進(jìn)行電子束平版印刷和濕化學(xué)刻蝕，以制造180nm寬和100nm深的溝槽52。這樣就在區(qū)域40中形成了電導(dǎo)通路42、44、46。每個(gè)溝槽都成形具有量子點(diǎn)觸點(diǎn)40q，其用平版印刷術(shù)形成的寬度為180nm、長度為100nm。設(shè)置在通路44和46附近延伸的側(cè)柵極48，其上加有柵極電壓。溝槽52將側(cè)柵極48內(nèi)的2DEG與通路42、44、46中的電子隔離。
左右通路44和46由電壓Vl和Vr以推挽方式偏置，而側(cè)柵極48通過施加電壓Vg用來控制通路44和46中的耗盡。歐姆觸點(diǎn)50將電壓Vl、Vr、Vc、Vg連接到各通路和柵極上。
圖5示出利用標(biāo)準(zhǔn)的鎖定技術(shù)測得的，主干和與電導(dǎo)通路42、44相關(guān)的左儲存器(Tlc)之間以及主干和與電導(dǎo)通路42、46相關(guān)的右儲存器(Trc)之間器件的傳輸軌跡與加在側(cè)柵極48上的電壓Vg的關(guān)系。連接到側(cè)柵極的觸點(diǎn)50是歐姆型的。因此，側(cè)柵極的電壓可用連接在側(cè)柵極電壓源中的伏特計(jì)來檢測?？梢钥闯黾釉趥?cè)柵極上的電壓要高于正閾值Vth＝0.28伏時(shí)器件在主干儲存器和兩個(gè)分支儲存器之間才有導(dǎo)通。這是因?yàn)榭涛g過程引入側(cè)壁上的表面狀態(tài)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)四周的強(qiáng)耗盡。在測得的傳輸率Tlc和Trc中清楚可見電導(dǎo)的量子化。圖5還示出兩個(gè)傳輸軌跡Tlc和Trc很難區(qū)分，表明該器件相對于主干而言幾乎完全對稱。在傳輸Tlc和Trc中第一臺階出現(xiàn)在1/2數(shù)值處不是由于消除了自旋簡并性。該臺階是電子從主干到兩個(gè)分支傳輸?shù)耐耆^熱和彈道過程的結(jié)果。對于具有絕熱邊界的對稱彈道器件，主干儲存器到兩個(gè)分支儲存器之間的傳輸完全取決于主干的電導(dǎo)Gc，二者的關(guān)系為Trc＝Tlc＝(h/4e2)Gc，兩個(gè)分支應(yīng)足夠?qū)?，可以接收從主干儲存器注入的電子?br> 如圖4所示，電壓連接到左右分支儲存器，形成電化學(xué)電位差，而通過歐姆觸點(diǎn)測量從浮動主干儲存器輸出的電壓。結(jié)果示于圖6，圖中，中心主干儲存器的測得電壓是相對于加到器件的左儲存器的電壓Vl來繪制的。右電子儲存器的電壓為Vr＝-Vl，即電壓是以推挽方式加到左右分支的。測得的曲線是相對于Vl＝0對稱的。柵極電壓為0.1V。測量是在室溫下進(jìn)行的。對于小的|Vl|值，大比例曲線顯示對Vl的平方依賴關(guān)系，并在正Vl和負(fù)Vl時(shí)都具有負(fù)值。對于大的以伏測量的電壓值，小比例曲線清楚表明了Vl和Vs之間的整流關(guān)系。這些測量清楚表明當(dāng)有限電壓以推挽方式(Vl＝-Vr)加到對稱彈道器件時(shí)，輸出主干電壓Vs始終為負(fù)。此效應(yīng)不僅在低壓區(qū)，而且在加有高電壓的區(qū)域也可觀察到。該新穎特性不出現(xiàn)在電子傳輸?shù)木€性響應(yīng)區(qū)，而且如果用典型的擴(kuò)散導(dǎo)體構(gòu)建器件，對于它們，歐姆定律表示主干的零輸出，Vs＝0，也不能觀察到此特性。
為了研究此新穎效應(yīng)的物理起源，我們根據(jù)三端子彈道結(jié)(TBJ)的非線性響應(yīng)概念對圖4所示的器件進(jìn)行了模型計(jì)算。在計(jì)算中，三個(gè)電導(dǎo)通路的每一個(gè)都用以V(x，y)＝Vo-1/2m*ω2x2+1/2m*ω2y2形式表示的鞍形點(diǎn)電位來描述，式中，Vo是鞍形處的靜電電位，m*是電子的有效質(zhì)量，x、y分別定義沿傳輸方向和與傳輸方向垂直的坐標(biāo)。由于測量的器件是通過刻蝕法制成的，導(dǎo)致電導(dǎo)通路中強(qiáng)約束，在側(cè)柵極上加電壓不會改變約束電位的形狀，而是改變鞍形處的電位Vo。對三條電導(dǎo)通路使用參數(shù)hωx＝6meV和hωy＝15meV，這些參數(shù)與側(cè)柵極電壓無關(guān)。但是，使用了數(shù)個(gè)Vo的值以模擬不同電壓加到側(cè)柵極的情況。取費(fèi)密能級為μF＝14meV，對應(yīng)于2DEG區(qū)域中3.9×1011cm-2的電子密度。將電壓Vl和Vr加到左右分支儲存器上時(shí)，這兩個(gè)儲存器的電化學(xué)電位分別變換為μl＝-eVl+μF和μr＝-eVr+μF浮動中心主干儲存器的電化學(xué)電位μc由主干儲存器處的電流Ic＝0的情況決定，而主干儲存器的輸出電壓由公式Vc＝-(μc-μF)/e給出。對于對稱彈道器件，電子傳輸率僅取決于主干的電導(dǎo)。因此，Vc相對Vl的功能特性主要取決于主干的傳導(dǎo)性能，而YBS結(jié)構(gòu)的具體布局并不重要。
圖7示出對該器件工作在推挽方式下(Vl＝-Vr)的計(jì)算結(jié)果。對鞍形處電位Vo的三個(gè)值繪制了計(jì)算的Vc與Vl的關(guān)系。當(dāng)Vo＝0meV，在能量μF＝14meV處傳輸率Tlc和Trc都處于高臺(plateau)上。這種情況對應(yīng)于在側(cè)柵極上加1.0V的電壓。因此，左分支和主干儲存器之間的電流流動大致與兩個(gè)儲存器之間的電化學(xué)電位差成線形關(guān)系。右分支和主干儲存器之間的電流流動亦如此。所以，該系統(tǒng)的工作就像一個(gè)用線形導(dǎo)體構(gòu)建的三端子器件，此時(shí)歐姆定律適用。結(jié)果，以推挽方式工作的器件，在|Vl|數(shù)值小時(shí)其輸出電壓應(yīng)大致保持在零，如圖7的上部曲線所示。如果Vo＝4meV，對應(yīng)于Vg＝0.6V的實(shí)驗(yàn)情況，在能量μF＝14meV處傳輸率Tlc和Trc都處于由高臺所描述的數(shù)值之間。流入主干儲存器的負(fù)電流(當(dāng)任一分支儲存器的電化學(xué)電位相對主干儲存器的電位增加了e|Vl|時(shí)發(fā)生此情況)總是大于流出主干儲存器的負(fù)電流(在另一分支儲存器的電化學(xué)電位有等量減少時(shí))。為了建立浮動主干中的電流平衡，電化學(xué)電位μc必須增加到μF和μF+e|Vl|之間的數(shù)值。這樣，測得的主干儲存器的輸出電壓可以見到總是負(fù)值，如圖7的中間曲線所示。此外，對于小|Vl|，計(jì)算的Vc顯示出與Vl平方的依賴關(guān)系。如果Vo＝12meV，則在能量μF＝14meV處傳輸率Tlc和Trc接近于夾斷，如同Vg＝0.3V的實(shí)驗(yàn)情況(見圖5)。對于Vl所有的有限值，輸出主干電壓Vc始終為負(fù)，與對Vo＝4meV的計(jì)算相同。但是，與該計(jì)算相比較，發(fā)現(xiàn)在給定的有限Vl下有比較大的負(fù)輸出電壓Vc，與實(shí)驗(yàn)情況相符。所有這些特征都可以與對Vo＝4meV情況下的計(jì)算類似地加以理解。
用基于三個(gè)彈道式耦合量子點(diǎn)觸點(diǎn)的模型可以很好說明實(shí)驗(yàn)的觀察結(jié)果。理論與實(shí)驗(yàn)的完全符合表明實(shí)驗(yàn)觀察的新穎效應(yīng)是在非線性響應(yīng)范疇內(nèi)三端彈道結(jié)(TBJ)的本征特性。計(jì)算也表明，如果器件的尺寸小于電子的平均自由程，只要三個(gè)導(dǎo)體(由它們構(gòu)成三端結(jié))的電導(dǎo)隨電化學(xué)電位而增加，就能觀察到此新穎的效應(yīng)。該新穎的效應(yīng)在室溫下可觀察到，因?yàn)橛锌赡軐⑦@種器件尺寸作成100nm或更小，這與高遷移率材料在室溫下的平均自由程可相比擬。
本發(fā)明提供了GaAs/AlGaAs彈道式Y(jié)-分支器件的一種新穎特性。在左右分支儲存器上加兩種電壓時(shí)，浮動主干儲存器的電化學(xué)電位趨向于取二分支儲存器中電化學(xué)電位的較高值。因此，對于以推挽方式向二分支儲存器加電壓的對稱器件，主干儲存器的輸出電壓始終為負(fù)。該新穎效應(yīng)已由根據(jù)電子傳輸?shù)姆蔷€性理論所作的計(jì)算證實(shí)。器件中彈道傳輸?shù)拇嬖谑窃撚^察效應(yīng)的前提。預(yù)計(jì)觀察到的該新穎現(xiàn)象對于納米級的器件都通用。將特征按比例縮小Si技術(shù)的推斷為基于這類性能的極其小型的器件和電路提示了基礎(chǔ)。
參閱圖8，圖中示出類似于圖4的器件，由電導(dǎo)通路42，44，46提供量子點(diǎn)觸點(diǎn)40q。圖8的主要部分示出該器件的示意圖。將該器件連接成起整流器的作用，電壓V加在左分支上，在中心主干分支測量到電壓Vs，右分支接地。在室溫下進(jìn)行測量，電壓以伏測量?？梢钥吹蕉O管特性，輸出電壓Vs維持在0V，直到輸入電壓V低于剛剛低于0V的閾值，此時(shí)輸出電壓快速下降。
可以使第一實(shí)施例工作在類似晶體管模式，如圖9和10所示。圖9是對于絕對溫度4.2K，區(qū)域40的費(fèi)密能級為10meV所作的曲線圖。圖10類似，工作溫度為4.2K，區(qū)域40的費(fèi)密能級為5meV。在這種工作方式下，右電導(dǎo)通路46的電壓保持恒定在給定數(shù)值，并且示出連接電導(dǎo)通路42，44的觸點(diǎn)之間的電壓關(guān)系。可以看出，對于Vr的任何給定值，Vl和Vc之間的關(guān)系都是非線性的，對于Vl和Vc負(fù)值，有大致線性關(guān)系，對Vl正值，有飽和區(qū)，其中Vc保持恒定?？梢钥闯觯?dāng)電壓Vr改變時(shí)，Vl和Vc之間的關(guān)系基本相同，但精確的數(shù)值發(fā)生改變，因而Vc的飽和電壓在Vr正值時(shí)比在Vr負(fù)值時(shí)高得多?？梢钥闯觯@就產(chǎn)生了一族類似晶體管的曲線，并表明在電導(dǎo)通路46上加調(diào)制電壓Vr，該器件就可像晶體管一樣工作。
下面參閱圖11，圖中示出配置成晶體管的本發(fā)明的第二實(shí)施例。該器件包括被刻蝕過的隔離區(qū)70，72，74分開的導(dǎo)電區(qū)60，62，64，66。這些刻蝕的隔離區(qū)可以由絕緣材料充填。在此例中，導(dǎo)電區(qū)66通常為T形，有左臂76和右臂80。臂76和80之間是區(qū)域84，它提供電子的彈道傳輸，平均自由程遠(yuǎn)大于區(qū)域84的寬度。這樣形成區(qū)域84中臂76和80的輪廓、以便提供量子點(diǎn)觸點(diǎn)84q。突出物或分支86自區(qū)域84延伸，形成電壓探針。導(dǎo)電區(qū)64在中心區(qū)域處變窄，形成電導(dǎo)通路90并形成量子點(diǎn)觸點(diǎn)90q。導(dǎo)電區(qū)60、62提供柵極，用來加控制電壓。
工作時(shí)，通過電導(dǎo)通路76，80和區(qū)域84的電子流在突出物86中感生電壓。該電壓靠耗盡來調(diào)制導(dǎo)電區(qū)64中通過電導(dǎo)通路90的電子流。因此，提供了類似晶體管的功能，在縮頸76，80中，為通過縮頸90的電子流提供電子流放大功能。
圖11的器件可以用來對加在左右電導(dǎo)通路上的輸入頻率進(jìn)行倍頻，并且在通路90中得到頻率之和及其諧波。此情況示于圖14，圖中在240秒的長掃描時(shí)間內(nèi)將鋸齒形斜坡電壓加到左右分支上。整流電壓波出現(xiàn)在中心分支，得到雙頻率的波形。也產(chǎn)生了較高次諧波。
雖然必須注意本發(fā)明的新穎的概念，但是，參考數(shù)學(xué)分析有可能更清楚地理解此概念?，F(xiàn)考慮三端彈道結(jié)(TBJ)，即如圖12所示的系統(tǒng)。為了揭示基本的物理原理，而避免冗長煩瑣的計(jì)算，將本發(fā)明模型化，即連接三個(gè)(左，右，中心)量子點(diǎn)觸點(diǎn)(QPC)作為電導(dǎo)通路，在其外儲存器中具有外電化學(xué)電位μl，μr，μc，經(jīng)過具有足夠光滑(即絕熱的)邊界的區(qū)域。如果考慮對稱情況，即左右分支做成完全相同，要問的問題是當(dāng)偏壓2|V|加在左右儲存器之間時(shí)，假定|μl-μr|＝2e|V|，在浮動中心儲存器μc的輸出電壓Vc是什么？為回答此問題，我們需要了解器件的三個(gè)探針儲存器(i，j＝l，r或c)之間的各種傳輸概率Tij，反射概率Rii，并用下式計(jì)算中心觸點(diǎn)的電流Ic=2eh{∫[Nc(E)-Rcc(E)]f(E-μc,T)dE-Σi=l,r∫Tci(E)f(E-μi,T)dE}---(1)]]>式中Nc是從中心儲存器到中心QPC的引線(lead)中的量子溝道(占用的子帶)數(shù)目，μl＝μF+eV和μr＝μF-eV是左右儲存器的電化學(xué)電位(μF是在零偏壓時(shí)TBJ中的電化學(xué)電位)，T為儲存器的溫度，而f(E-μcT)是Fermi-Dirac函數(shù)。
中心分支的輸出電壓V可由eVc＝-(μc-μF)計(jì)算，式中電化學(xué)電位μc需要從方程(1)令I(lǐng)c＝0求得。
可以得到傳輸概率的各種對稱性能，在沒有磁場時(shí)，時(shí)間-反轉(zhuǎn)的不變性意味著Tcl＝Tlc，Tcr＝Trc，以及Tlr＝Trl，而電流守恒給出
Nc(E)-Rcc(E)＝Tlc(E)+Trc(E)，Nl(E)-Rll(E)＝Tcl(E)+Trl(E)， (2)Nr(E)-Rrr(E)＝Tcr(E)+Tlr(E).
如果在其他兩個(gè)QPC中有足夠數(shù)量的開放溝道來接收電子的話，那么，通過QPC傳輸?shù)碾娮颖簧⑸浠貋淼母怕史浅Ｐ?。在此絕熱情況下，上述各方程的左側(cè)與對應(yīng)的QPC的線性響應(yīng)電導(dǎo)成正比，例如Gc(E)＝(2e2/h)[Nc(E)-Rcc(E)]。因此，方程(2)可以改寫為以三個(gè)QPC的線性電導(dǎo)來表示傳輸概率Tcl(E)=Tlc(E)=h4e2[Gc(E)+Gl(E)-Gr(E)],]]>Tcr(E)=Trc(E)=h4e2[Gc(E)+Gr(E)-Gl(E)],---(3)]]>Tlr(E)=Trl(E)=h4e2[Gl(E)+Gr(E)-Gc(E)].]]>這些簡單的關(guān)系僅對具有絕熱幾何邊界的器件，且僅在以下條件有效三個(gè)點(diǎn)觸點(diǎn)組合使方程(3)中三個(gè)方程的右側(cè)大于或等于零。
雖然方程(3)是為一般絕熱器件而推導(dǎo)出來的，但對于對稱器件(即器件的左右分支完全一樣)的情況，該方程可以大大簡化。此時(shí)，我們有Gl＝Gr。將其代入方程(3)，即得Tcl(E)＝Tcr(E)＝(h/4e2)Gc(E) and Tlr(E)＝Trl(E)＝(h/4e2)[2Gl(E)-Gc(E)]for Gl(E)≥(1/2)Gc(E).
于是，對于對稱，絕熱的TBJ，確定中心儲存器中的電化學(xué)電位的條件可以寫為∫Gc(E)f(E-μc,T)dE=12∫Gc(E)f(E-μl,T)dE+12∫Gc(E)f(E-μr,T)dE---(4)]]>
注意以下事實(shí)是很重要的當(dāng)偏壓加在對稱的TBJ的左右分支時(shí)，浮動中心探針的電化學(xué)電位及其輸出電壓完全由中心QPC的電導(dǎo)Gc(E)決定，而與左右分支的結(jié)構(gòu)以及二分支之間的角度無關(guān)，只要滿足Gl(E)+Gr(E)≥Gc(E)。還應(yīng)強(qiáng)調(diào)，方程(4)意味著如果TBJ由線性導(dǎo)體制成，而對于這種導(dǎo)體，Gc與注入電子的能量E無關(guān)，則當(dāng)電壓V和-V加到左右分支時(shí)中心探針的輸出電壓始終為零。
對于對稱、絕熱器件，按方程(4)兩側(cè)的V作Taylor展開(利用以下關(guān)系μc-μF＝-eVc；μl-μF＝-eVl；μr-μF＝-eVr)從方程(4)可以推導(dǎo)出的另一結(jié)果是在小數(shù)值的|V|下，輸出電壓Vc可以寫為Vc=-12αV2+O(V4)---(5)]]>式中α=-e∫Gc(E)∂2f(E-μF,T)∂E2dE∫Gc(E)∂f(E-μF,T)∂EdE---(6)]]>于是，對于小|V|，Vc與V成平方關(guān)系。而且，對于Gc(μ)/μ＞0，可得α＞0。這樣，當(dāng)V和-V加到對稱器件的左右分支時(shí)，總得Vc＜0。這就是說，中心探針的電化學(xué)電位μc總是向上移動，趨向于取μl和μr的較高值。進(jìn)行具體的計(jì)算可以看到，μc的該特性響應(yīng)不僅限于小|V|時(shí)有效，對于大的|V|值也可以有效。
有趣的是考慮一下在溫度零度時(shí)的計(jì)算，可以推導(dǎo)出確定中心探針的電化學(xué)電位μc的簡單方程∫μcμlTcl(E)dE=∫μrμcTcr(E)dE---(7)]]>這是因?yàn)镕ermi-Dirac函數(shù)不再出現(xiàn)，并可對E從(負(fù)無限)到它們相應(yīng)的電化學(xué)電位作三次積分。將左側(cè)(4)分成兩半，并重新排列，就得到(7)。
很清楚該方程滿足了電流存儲的要求。對于具有絕熱邊界的對稱TBJ，有Tcl(E)＝Tcr(E)＝(h/4e2)Gc(E)[見方程(3)]。對于μl和μr之間的電化學(xué)電位窗口中具有Gc(μ)/μ＞0的中心QPC，方程(7)意味著中心探針的電化學(xué)電位μc始終處于比μl和μr的平均值要高的值。這再次表示，當(dāng)V和-V加到TBJ的左右分支時(shí)，浮動中心探針的輸出電壓Vc始終為負(fù)。也可以在零溫度情況下推導(dǎo)Vc與V在小數(shù)值|V|界限內(nèi)的平方關(guān)系。結(jié)果是Vc=-eG′c(μF)2Gc(μF)V2+O(V4)---(8)]]>可以看出，在T＝0時(shí)，曲率的絕對值完全取決于中心QPC的電導(dǎo)特性，相對于費(fèi)密能量，它與電導(dǎo)的一次導(dǎo)數(shù)G’c(μF)成正比，但它也與電導(dǎo)本身Gc(μF)的倒數(shù)成正比。
用三個(gè)鞍形點(diǎn)觸點(diǎn)將三個(gè)QPC模型化。每個(gè)QPC的電化學(xué)電位為V(x,y)=Vo-12m*wx2x2+12m*wy2y2---(9)]]>式中Vo是在鞍形處的電化學(xué)電位，m*是電子有效質(zhì)量，x定義沿傳輸方向的坐標(biāo)，y為沿橫向方向的坐標(biāo)[19]。電位的曲率以頻率Wx和Wy表示，一般取決于有效質(zhì)量m*。鞍形點(diǎn)觸點(diǎn)的哈密頓算符(由動態(tài)算符-h22/2m*補(bǔ)充的方程(9)給出)可以分為與能量 相關(guān)聯(lián)的橫向波函數(shù)和在有效電位 中沿x的波函數(shù)。對于這種鞍形點(diǎn)電位，傳輸概率具有簡單的形式Tmn(E)=δmn11+eπϵn,---(10)]]>式中m和n是橫向模式的指數(shù)，變量 而E是電子能量。鞍形點(diǎn)觸點(diǎn)的電導(dǎo)由下式給出G(E)=2e2hT(E)=2e2hΣm,nTmn(E)]]>以上分析是對于器件是對稱的情況進(jìn)行的。但本發(fā)明不限于對稱器件，即使器件的對稱性被破壞，只要在左右分支上所加的相等但(極性)相反的電壓|V|的幅度大于某一閾值，本發(fā)明的新穎特性仍可出現(xiàn)。
現(xiàn)參閱圖13A和13B，圖中示出本發(fā)明器件的使用，電壓按圖中所示表加到各電導(dǎo)通路上以產(chǎn)生AND或OR功能。當(dāng)電壓加到對稱的TBJ的左右分支時(shí)，只有當(dāng)所加的兩個(gè)電壓都是正時(shí)，輸出的中心分支電壓才為正(二進(jìn)制數(shù)值1)，如果電壓的負(fù)值定義為1，則器件起OR門的作用。
參閱圖15，圖中示出類似于圖13和4所示的器件150，其中三個(gè)端子A，B，C分別包括左，右和中心通路(l，r，c)以及電觸點(diǎn)152。設(shè)置側(cè)柵極154，它同等地影響著左右通路中的耗盡。另一個(gè)電導(dǎo)通路156將器件的中心通路c與地參考電位互連。通路56具有歐姆電導(dǎo)值，但設(shè)置柵極158，它影響通路156的耗盡區(qū)以便改變通路156的電阻值。
工作時(shí)，選擇性地加到端子A和B的電壓具有地參考電位(0)或電源電壓Vcc。電源電壓為正，因此根據(jù)圖中所示的表提供AND功能。兩個(gè)柵極154和158可以調(diào)節(jié)輸入電壓電平和輸出電壓電平。從圖15的第二個(gè)表中可以看出，由于輸出電壓基本上加在輸入端，所以AND門器件中的內(nèi)部電壓損失很小。
應(yīng)當(dāng)指出，在此邏輯器件中，器件基本上是三端器件，不再需要其他的柵極來工作。所示柵極僅用于調(diào)節(jié)最佳工作條件。此外，該器件除通過輸入端接入功率外不需要再施加外部功率。
在器件150由類似大小的左，右，中心臂構(gòu)成的情況下，器件是完全對稱的，因此，可以通過向三個(gè)端子中的任何兩個(gè)端子提供輸入信號并且從第三個(gè)端子獲得輸出信號，來提供AND功能。
參閱圖16，圖中示出邏輯電路，其中與圖15所示的部件類似的部件用同樣的標(biāo)號表示。第二個(gè)三端器件(如圖13所示)160連接到第一器件，器件150的臂c與器件160的左電導(dǎo)臂l結(jié)合為一體。器件160的中心臂c連接到地參考電位，柵極162影響臂c內(nèi)的耗盡區(qū)。輸出端子X’包括臂r。第二器件160不改變器件150提供的邏輯功能。第二器件160的功能是調(diào)節(jié)輸出信號的參數(shù)。
現(xiàn)參閱圖17，該圖示出實(shí)現(xiàn)NAND功能的邏輯電路。提供兩個(gè)邏輯器件170和172，其各自為圖4和圖13所示的類型，具有左、右、中心臂(l，r，c)和電觸點(diǎn)174。器件170的中心臂c連接到柵極176，柵極176影響器件172的臂1中的耗盡。器件170具有連接成接收輸入信號的輸入端A和B。器件172的臂l、r分別連接到地參考電位和電源電壓Vcc。在端子X處從器件172的中心臂c獲得輸出信號。端子X的輸出信號的精確值由連接到中心臂c和地參考電位之間的電導(dǎo)通路179的柵極178控制。
所示電路完成表中所示的NAND功能。實(shí)質(zhì)上，第二器件172提供第一器件170的輸出信號的倒相信號。
參閱圖18，圖中示出提供倒相器功能的邏輯電路，其中器件180為圖4和3所示的類型，具有左、右、中心臂l、r、c和電觸點(diǎn)182。左臂l連接到地參考電位，右臂r連接到Vcc，中心臂c形成輸出端子X。左臂l具有柵極184，用于控制左臂l中的耗盡區(qū)。柵極184接收端子A的輸入信號。中心臂c和地基準(zhǔn)點(diǎn)之間的電導(dǎo)通路186具有柵極188，用于控制其中的耗盡，以便調(diào)節(jié)在端子X處的輸出信號的幅度。如表中所示，該結(jié)構(gòu)提供倒相器功能。
權(quán)利要求
1.一種電子器件，它包括提供彈道電子流的區(qū)域；提供流入或流出所述區(qū)域的電子流的至少第一和第二電導(dǎo)通路，每條通路的電導(dǎo)隨其中的電子能量而變化；用于將外部電位加到所述電導(dǎo)通路中一條通路或兩條通路上的裝置；以及用于檢測在所述區(qū)域產(chǎn)生的電位的裝置。
2.一種電子器件，它包括提供彈道式電子流的區(qū)域；提供流入或流出所述區(qū)域的電子流的至少第一、第二和第三電導(dǎo)通路，每條通路的電導(dǎo)隨其中的電子能量而變化；用于將外部電位加到所述電導(dǎo)通路中一條通路或多條通路上的裝置，以及用于檢測所述電導(dǎo)通路中一條通路或多條通路上的電位或與電位有關(guān)的參數(shù))的裝置。
3.如權(quán)利要求1或2所述的器件，其特征在于所述外部電位是電壓或電化學(xué)電位。
4.如上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的器件，其特征在于所述檢測的電位是電壓或電化學(xué)電位，或者所述檢測的參數(shù)是電流。
5.如上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的器件，其特征在于所述一條或多條電導(dǎo)通路包括在提供彈道電子流的區(qū)域中形成的電導(dǎo)通路。
6.如權(quán)利要求5所述的器件，其特征在于所述區(qū)(area)被包括在所述提供彈道電子流的區(qū)域中。
7.如權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的器件，其特征在于所述一條或多條電導(dǎo)通路包括量子點(diǎn)觸點(diǎn)、窄導(dǎo)線、諧振隧道效應(yīng)器件或量子點(diǎn)。
8.如上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的器件，其特征在于每個(gè)電導(dǎo)通路具有關(guān)聯(lián)的局部電子儲存器，所述局部電子儲存器遠(yuǎn)離所述區(qū)域并且限定局部電化學(xué)電位。
9.如權(quán)利要求8所述的器件，其特征在于所述儲存器與所述器件的電觸點(diǎn)相關(guān)聯(lián)。
10.如權(quán)利要求2或引用權(quán)利要求2的任何權(quán)利要求所述的器件，其特征在于每個(gè)電導(dǎo)通路(i，j＝l，r，c)具有關(guān)聯(lián)的局部儲存器，所述局部儲存器具有相應(yīng)的電化學(xué)電位μ，并且其中所述第三電導(dǎo)通路c中的電流I由下式給出Ic=2eh{∫[Nc(E)-Rcc(E)]f(E-μc,T)dE-Σi=l,r∫Tci(E)f(E-μl,T)dE}]]>式中Nc是所述電導(dǎo)通路中量子溝道(占用的子帶)的數(shù)目，μl和μr是左右儲存器的電化學(xué)電位，T為儲存器的溫度，而f(E-μcT)是Fermi-Dirac函數(shù)。
11.如權(quán)利要求8所述的器件，其特征在于所述器件為對稱形，所述第一和第二電導(dǎo)通路在形成中心通路(c)的所述第三電導(dǎo)通路的兩側(cè)形成對稱的左右通路(l，r)。
12.如權(quán)利要求2或引用權(quán)利要求2的任何權(quán)利要求所述的器件，其特征在于所述第一、第二和第三電導(dǎo)通路具有其各自的電導(dǎo)G(E)和各自的電化學(xué)電位μ，其中∫Gc(E)f(E-μc,T)dE=12∫Gc(E)f(E-μl,T)dE+12∫Gc(E)f(E-μr,T)dE]]>式中f為Fermi-Dirac函數(shù)。
13.如權(quán)利要求10所述的器件，其特征在于對于加到左和/或右通路的幅度V的電壓，在所述第三中心電導(dǎo)通路上的電壓Vc為a.Vc=-12αV2+O(V4)]]>b.其中μc-μF＝-eVc；μl-μF＝-eV；以及μr-μF＝eV
14.如上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的器件，其特征在于每個(gè)所述通路的電導(dǎo)以下式給出G(E)=2e2hT(E)=2e2hΣm,nTmn(E)]]>其中Tmn(E)=δmn11+eπϵn]]>
15.如上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的器件，其特征在于在所施加電壓V的幅度小的情況下，非線性關(guān)系為拋物線，或一般為拋物線。
16.如權(quán)利要求1所述的器件，其特征在于所述區(qū)域提供主干或突出物，所述主干或突出物設(shè)置在另一條電子流通路的另一條電導(dǎo)通路附近，以便提供探針來影響電子在所述另一條電子流通通路中的電導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)放大作用。
17.如權(quán)利要求6所述的器件，其特征在于所述通路中至少一條通路是通過在所述區(qū)域的刻蝕法形成的。
18.一種電子器件，它包括提供彈道電子流的區(qū)域；用于電子流流入或流出所述區(qū)域的至少第一和第二電導(dǎo)通路，每條通路存在電子儲存器或觸點(diǎn)，所述儲存器或觸點(diǎn)處于限定局部電化學(xué)電位的至少暫時(shí)局部均衡狀態(tài)；用于將第一和第二電壓加到所述第一和第二通路上的裝置，所述第一和第二通路具有這樣性質(zhì)、使得通過所述第一和第二通路中每一條通路的電子流電導(dǎo)值取決于所述施加的電壓，從而對通過所述通路的電子流產(chǎn)生非線性整流或晶體管作用。
19.一種電子器件，它包括提供彈道電子流的區(qū)域；用于電子流流入或流出所述區(qū)域的至少第一、第二和第三電導(dǎo)通路，每條通路存在電子儲存器或觸點(diǎn)，所述電子儲存器或觸點(diǎn)至少處于暫時(shí)局部均衡狀態(tài)以便限定局部電化學(xué)電位；以及用于將第一和第二電壓加到所述第一和第二通路上的裝置，所述第一和第二通路具有這樣的性質(zhì)、使得通過所述第一和第二通路中每一條通路的電子流的電導(dǎo)值取決于所述施加的電壓，從而對通過所述通路的電子流產(chǎn)生非線性整流或晶體管作用。
20.如上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的器件，其特征在于所述通路中至少一條通路具有相應(yīng)的歐姆觸點(diǎn)，用于傳導(dǎo)電子并且用于施加外部電壓，并在此處形成電子局部儲存器，
21.如上述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)所述的器件，其特征在于用于施加或檢測電位的裝置包括設(shè)置在一個(gè)或多個(gè)電導(dǎo)通路鄰近但與其電絕緣的一個(gè)或多個(gè)柵極。
22.如權(quán)利要求2所述的器件，其特征在于包括用于施加跨接所述第一和第二通路的交流電壓的裝置；以及用于監(jiān)測所述第三通路上的整流電壓的裝置。
23.如權(quán)利要求2所述的器件，其特征在于包括用于在所述第二通路上施加電壓的裝置；以及用于監(jiān)控在所述第一通路上施加的所述電壓和在所述第三通路上響應(yīng)流經(jīng)所述通路的電子流而產(chǎn)生的電壓之間的關(guān)系的裝置。
24.一種在電子器件中實(shí)現(xiàn)晶體管作用的方法，所述方法包括提供具有電子流彈道傳導(dǎo)性能的區(qū)域；在所述區(qū)域中提供流入或流出所述區(qū)域的電子流的第一，第二和第三電導(dǎo)通路，每條通路的電導(dǎo)隨所述通路中電子能量而變；以及將電壓加到所述各通路中一條或多條通路上，以便以非線性方式調(diào)制通過其他兩條通路的電子流的特性。
25.一種對交流電壓進(jìn)行整流的方法，所述方法包括提供具有電子流彈道傳導(dǎo)性能的區(qū)域；提供用于電子流流入或流出所述區(qū)域的第一、第二和第三電導(dǎo)通路，每條通路的電導(dǎo)取決于通過所述通路的電子的能量；以及施加跨接兩條所述通路的交流電壓；以及從所述第三條通路導(dǎo)出整流電壓。
26.如權(quán)利要求2到22中任一項(xiàng)所述的電子器件，其特征在于連接所述第一，第二和第三電導(dǎo)通路以便提供邏輯AND或OR功能。
27.如權(quán)利要求1到23中任一項(xiàng)所述的器件，其特征在于連接第一，第二和第三電導(dǎo)通路以便接收跨接所述一個(gè)或多個(gè)端口具有某些確定的頻率的交流電壓，并且在所述器件的另一條或多條通路上產(chǎn)生所述頻率的總和和/或諧波。
28.一種電子器件，它包括第一、第二和第三端子，每個(gè)端子包括由相應(yīng)的電導(dǎo)通路連接的、向彈道電子流的中心區(qū)域提供電子流的電觸點(diǎn)，所述結(jié)構(gòu)具有這樣的性質(zhì)、使得施加在所述第一和第二端子的交流電壓在所述第三端子提供整流電壓。
29.一種電子器件，它包括第一、第二和第三端子，每個(gè)端子包括由相應(yīng)的電導(dǎo)通路連接的、向彈道電子流的中心區(qū)域提供電子流的電觸點(diǎn)，所述結(jié)構(gòu)具有這樣的性質(zhì)、使得向一個(gè)端子施加電壓的操作能以非線性方式調(diào)制通過其它兩個(gè)端子的電子流的特性。
30.一種電子邏輯器件，包括第一、第二和第三端子，每個(gè)端子包括由相應(yīng)的電導(dǎo)通路連接的、向彈道電子流的中心區(qū)域提供電子流的電觸點(diǎn)，所述結(jié)構(gòu)具有這樣的性質(zhì)、使得施加在第一和第二端子的輸入信號電位能按預(yù)定的邏輯功能在所述第三端子提供輸出信號電位。
31.一種電子邏輯器件，它包括第一、第二和第三端子，每個(gè)端子包括由相應(yīng)的電導(dǎo)通路連接的、向彈道電子流的中心區(qū)域提供電子流的電觸點(diǎn)，所述結(jié)構(gòu)具有這樣的性質(zhì)、使得施加在第一和第二端子的輸入信號電位能按AND或OR邏輯功能在所述第三端子提供輸出信號電位。
32.如權(quán)利要求30或31所述的器件，其特征在于用于操作所述器件的電功率是由所述輸入信號中的功率提供的，所述輸入信號包括加到所述第一和第二端子的外部電位。
33.如權(quán)利要求30或31所述的器件，其特征在于所述器件是對稱的、使得所述輸入信號可以加到所述第一、第二和第三端子中任意兩個(gè)端子而所述輸出信號從剩余的那個(gè)端子獲得。
34.一種邏輯電路，它包括如權(quán)利要求30或31所述的器件，其特征在于將所述輸出信號提供給類似于權(quán)利要求30或31的器件的第二器件，以便提供信號電平轉(zhuǎn)換。
35.如權(quán)利要求34所述的電路，其特征在于所述第二器件具有連接成接收所述輸出信號的第一端子、連接到地參考信號的第二端子和用于提供輸出信號的第三端子。
36.一種邏輯電路，它包括如權(quán)利要求30或31所述的器件，其特征在于將輸出信號提供給第二器件，以便提供NAND功能，所述第二器件包括第一、第二和第三端子，每個(gè)端子包括分別由相應(yīng)的電導(dǎo)通路連接的、向彈道電子流的中心區(qū)域提供電子流的電觸點(diǎn)；以及柵極，用于影響所述各電導(dǎo)通路之一的特性，將所述輸出信號加到所述柵極上，以便在所述第二器件的端子上提供所述輸出信號的倒相信號。
37.如權(quán)利要求36所述的電路，其特征在于所述第二器件的所述其它端子連接在電源電壓和參考電位之間。
38.如權(quán)利要求30或31所述的器件，其特征在于所述各電導(dǎo)通路中至少一條電導(dǎo)通路連接到柵極上，外部電位可以加到所述柵極上以便調(diào)節(jié)所述電導(dǎo)通路的導(dǎo)電特性。
全文摘要
一種呈現(xiàn)非線性晶體管或整流作用的納米級電子器件，它包括提供電子流的彈道傳輸特性的區(qū)域(40)，在區(qū)域(40)中形成具有量子點(diǎn)觸點(diǎn)(40q)的電導(dǎo)通路(42，44，46)，每條通路具有關(guān)聯(lián)的電子儲存器或觸點(diǎn)(50)，其電化學(xué)電位和線性響應(yīng)電導(dǎo)取決于注入該通路的電子能量。將交流電壓V
文檔編號H03K19/08GK1471731SQ0181811
公開日2004年1月28日 申請日期2001年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月1日
發(fā)明者L·I·薩米爾森, H·徐, A·福歇爾, L·M·D·沃爾舍赫, D 沃爾舍赫, L I 薩米爾森 申請人:英國技術(shù)集團(tuán)國際有限公司