Электроны работают поодиночке

Г. Львов

Основной путь, по которому стараются идти создатели электронной техники при разработке новых моделей ЭВМ, – миниатюризация. Уменьшение размера приборов не самоцель: как правило, оно сопровождается ростом их быстродействия, производительности и надежности, снижением расхода энергии, удешевлением. Похоже, в не таком уж далеком будущем этот процесс достигнет своего естественного предела. Советские физики, проведя ряд теоретических и экспериментальных исследований, показали возможность создания нового типа вычислительных устройств. Для этих устройств, информация в которых будет представлена не в виде привычных электрических импульсов, а в виде отдельных электронов, даже заранее придумали название – одноэлектроника.

Еще недавно управлять поведением одиночных электронов удавалось лишь в уникальных экспериментах, требующих особой аппаратуры, теперь же на подобном управлении предлагают строить серийные приборы. Такой прогресс стал возможен благодаря развитию не только науки, но и технологии. В последние годы научились соединять друг с другом проводники очень малого поперечного сечения, оставляя между ними тончайший слой изолятора. Как оказалось, с помощью такой конструкции – туннельного перехода – можно управлять движением отдельных электронов. Согласно основным принципам квантовой механики, микрочастицы (в частности электроны) могут переходить через изолятор с одного проводника на другой – «туннелировать» (см. статью «Поверхности твердых тел»). В отличие от обычного движения электронов в проводнике, которое зависит лишь от их коллективных свойств, при туннелировании проявляются индивидуальные характеристики каждой частицы. Электроны проходят через слой изолятора по отдельности, и это позволяет зарегистрировать перемещение с проводника на проводник даже одного из них. Ведь с точки зрения радиоэлектроники туннельный переход – это простейший конденсатор, а туннелирование электронов приводит к небольшой перезарядке такого конденсатора и, следовательно, к изменению напряжения на нем. Если площадь и соответственно емкость перехода достаточно малы, то перезарядка даже на один элементарный заряд приведет к заметному скачку напряжения.

Предположим, какой-то из электронов перешел сквозь изолятор незаряженного перехода. При этом на переходе сразу же появится напряжение, препятствующее движению следующих частиц, – проскочивший электрон своим зарядом отталкивает собратьев. Это явление было названо кулоновской блокадой. Из-за блокады очередной электрон пройдет через изолятор только тогда, когда предыдущий удалится от перехода. В результате частицы станут перескакивать с проводника на проводник через определенные промежутки времени, а частота таких перескоков – одноэлектронных колебаний – будет равна величине тока, деленной на заряд электрона.

Теперь представим, что удалось получить систему из двух последовательно соединенных переходов – небольшой кусочек металла, тонкими слоями изолятора отделенный от подходящих к нему с двух сторон проводников. От заряда на центральном проводнике будет зависеть проницаемость обоих переходов – значит, меняя этот заряд, нетрудно управлять током через систему. На таких устройствах (одноэлектронных транзисторах) можно построить почти любую схему, аналоговую или цифровую.

Если за счет теплового движения частица приобрела достаточно большую энергию, она может прорвать кулоновскую блокаду. Поэтому для каждого одноэлектронного устройства существует своя критическая температура, выше которой она перестает работать. Эта температура обратно пропорциональна площади перехода: чем меньше его емкость, тем больше скачок напряжения и тем выше барьер кулоновской блокады. У переходов, которые изготовлены по сегодняшней технологии, рабочие температуры близки к абсолютному нулю (около 1 К), однако в недалеком будущем надеются уменьшить площадь переходов и повысить их рабочую температуру в десятки или сотни раз.

Теория описанных явлений создавалась усилиями многих ученых, но решающий вклад в нее внесли московские физики Д.А. Аверин и К.К. Лихарев. Сделанные ими расчеты и предсказания необходимо было проверить на эксперименте. Первыми эту проверку в январе 1987 года осуществили сотрудники физического факультета МГУ кандидат физико-математических наук Л.С. Кузьмин и доктор физико-математических наук К.К. Лихарев.

Изготовить отдельные проводники сечением в доли квадратного микрона и соединить их туннельным переходом пока слишком сложно и дорого, так что экспериментаторы были вынуждены поступить по-другому. Распыляя индий над свинцовой пленкой, покрытой тонким слоем окисла-изолятора, они получили множество крошечных гранул. Сверху на них вновь напылили изолятор, а затем нанесли второй слой свинца. Поскольку при распылении возникли гранулы разного диаметра, их постигла разная участь. Мелкие и средние оказались погребены под слоем изолятора, а самые крупные превратились в центральный проводник одноэлектронного транзистора – на них образовались пары переходов, соединяющих их со слоями свинца. Среди множества изготовленных образцов были найдены такие, в которых одноэлектронный транзистор получился лишь из одной гранулы. С ним и проводились эксперименты. Их результаты полностью совпали с ожидаемыми.

Для экспериментальной проверки принципов действия одноэлектронного транзистора физикам Московского университета пришлось изготовить довольно сложную конструкцию. Для опыта был нужен микроскопический кусочек металла, соединенный туннельными переходами с двумя проводниками. Чтобы получить его, над пленкой из свинцового сплава 1, покрытой тонким слоем изолирующего окисла индия 2, распыляли индий. На образовавшиеся при этом круглые гранулы индия 3 сверху нанесли слой изолятора (окиси кремния 4) такой толщины, что он покрыл все гранулы, кроме самой крупной. Разумеется, и на этой грануле наросла шапка изолятора, но ее боковая поверхность осталась чистой. Проведя реакцию с кислородом, на этой поверхности сформировали тонкий слой изолирующего окисла 5, а затем залили всю конструкцию вторым слоем свинцового сплава 6. В результате между гранулой индия и свинцовыми проводниками возникли два туннельных перехода малой площади: первый – между основанием гранулы и нижним слоем свинца, второй – между ее боковой поверхностью и верхним слоем. В поведении такой системы было замечено влияние одноэлектронных эффектов, и это доказало возможность создания устройств, обрабатывающих информацию с помощью движения отдельных электронов.

Вскоре опыт повторили две группы американских исследователей, причем одной из них – в лаборатории «Белл» компании АТТ – удалось изготовить одноэлектронный транзистор не из гранул, а по обычной планерной технологии (см. «Наука и жизнь», №5, 1987 г.). Все эти эксперименты окончательно доказали: одноэлектронные устройства могут стать реальностью даже раньше, чем того ожидали большинство ученых.

В общих чертах уже ясны направления, в которых может развиваться одноэлектроника. Первое, традиционное – построение обычных схем на основе одноэлектронных транзисторов. Второе связано с особенностями одноэлектронных эффектов. Если множество микроскопических проводников соединить между собой туннельными переходами, поведение электронов в каждом из них станет зависеть от распределения частиц в соседних. К примеру, появление дополнительного электрона в каком-то проводнике может стимулировать движение зарядов через соседние переходы или, напротив, прерывать его. Такая система, если соединения в ней сделаны по нужной схеме, способна выполнять любые логические действия, и потому ее можно использовать как процессор ЭВМ. Вдобавок она обладает своеобразной распределенной памятью – в отсутствие внешних воздействий информация, закодированная в расположении электронов, сохраняется неограниченно долго. Это должно значительно облегчить построение сложных одноэлектронных вычислительных комплексов.

Но есть и еще более заманчивая перспектива – создание молекулярной электроники, то есть электронных схем, элементами которых служат отдельные молекулы. О таких устройствах говорят давно, но, пожалуй, лишь одноэлектроника предложила достаточно реальные и надежные механизмы обработки информации в них. Туннельные переходы в виде двух проводящих ток молекул, разделенных небольшим промежутком, будут иметь настолько малую площадь, что смогут работать уже при комнатных температурах. Они обеспечат и высокое быстродействие, и миниатюрность будущих молекулярных компьютеров.

Вместо ламп – транзисторы, вместо транзисторов – интегральные микросхемы, сверхпроводящие и оптические элементы, наконец, одноэлектронные или даже молекулярные устройства... Стремительный прогресс электронной техники, казалось бы, мог отучить нас удивляться, и все же очередные успехи, очередные рекорды опять поражают воображение. Какие новости в области электроники ждут нас завтра?

Ранее опубликовано:

Наука и жизнь. 1988. №1.

Дата публикации:

14 февраля 2003 года