Electrostatic Model for Stability Analysis of Single-Electron Transistors

Abstract

A single-electron transistor (SET) is one of the promising technologies for quantum computing and high-speed micro processing technologies. This device requires an accurate bias from external voltage sources. Since this device is operated under the sophisticated quantum conditions, it is difficult to obtain an appropriate condition using the quantum theory. Therefore, the aim of this research is to develop a mathematical model for a state change occurring in the SET architecture. With this model, the voltage bias from the external sources was investigated to calculate the condition for controlling a SET device. In this work, two operation modes, i.e. conduction mode and non-conduction mode, were determined based on the energy diagram of a SET. The result could be applied to calculate the biasing condition for a single-electron transistor with the metal quantum dot in its structure. However, some more study is in need to develop the mathematical model and condition for the architecture with a semiconductor quantum dot.

ทรานซิสเตอร์อิเล็กตรอนเดี่ยวเป็นเทคโนโลยีที่ได้รับความคาดหวังสำหรับเทคโนโลยีการคำนวณเชิงควอนตัม และเทคโนโลยีการคำนวณความเร็วสูง อุปกรณ์ชนิดนี้ต้องการการไบอัสที่แม่นยำจากแหล่งจ่ายภายนอก แต่การที่อุปกรณ์นี้ทำงานภายใต้เงื่อนไขเชิงควอนตัมที่ซับซ้อน ทำให้เป็นการยากที่จะใช้ทฤษฎีทางควอนตัมมาคำนวณหาเงื่อนไขที่เหมาะสม ดังนั้น งานวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงค์ เพื่อพัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์สำหรับการเปลี่ยนสถานะที่เกิดขึ้นภายในโครงสร้างของ SET จากนั้นใช้แบบจำลองที่ได้คำนวณหาการไบอัสด้วยแรงดันจากแหล่งจ่ายภายนอกสำหรับควบคุมการทำงานของ SET ในงานนี้ ได้ใช้แผนภาพพลังงานของ SET ร่วมกับการพิจารณาการทำงานของ SET ทั้ง 2 โหมด ได้แก่ โหมดนำกระแส และโหมดไม่นำกระแส ในการหาเงื่อนไขในการไบอัสของ SET ผลที่ได้สามารถประยุกต์ใช้ในการคำนวณหาค่าแรงดันสำหรับการไบอัสทรานซิสเตอร์อิเล็กตรอนเดี่ยวที่มีควอนตัมดอทแบบโลหะภายในโครงสร้าง แต่อย่างไรก็ตาม การศึกษาเพิ่มเติมจำเป็นในการพัฒนาแบบจำลองทางคณิตศาสตร์และเงื่อนไขในการไบอัส SET ที่มีโครงสร้างของควอนตัมดอทแบบสารกึ่งตัวนำ