8 Quais fenômenos devem ser levados em consideração em um Transitor SET (single electron transistor)?
Passo 1
O enunciado pergunta quais fenômenos físicos são relevantes em um transistor SET (single-electron transistor). O assunto envolve transporte quântico de carga discreta e eletrostática de nanoestruturas, e vamos precisar dos conceitos de efeito Coulomb, tunelamento quântico e flutuações (térmicas e de carga).
Passo 2
No SET, o efeito de bloqueio de Coulomb é central. Como a ilha (quantum dot) tem capacitância muito pequena, para adicionar um único elétron você precisa vencer a energia de auto-carga. Essa energia é dada por
, e quando
impede o transporte contínuo de elétrons.
O transporte de elétrons através do SET se dá por tunelamento quântico em junções barreira-ilhas. Esse tunelamento deve ser tratado pela mecânica quântica e depende da transparência das barreiras e das densidades de estados.
O transporte de elétrons através do SET se dá por tunelamento quântico em junções barreira-ilhas. Esse tunelamento deve ser tratado pela mecânica quântica e depende da transparência das barreiras e das densidades de estados.
Passo 3
Devido à carga discreta, tanto a carga na ilha quanto os níveis de energia no ponto quântico ficam quantizados. Isso gera uma estrutura de picos de condutância quando varrermos a tensão de gate, pois só em certos valores de potencial é energeticamente permitido o acréscimo de um elétron.
Passo 4
Mesmo em bloqueio de Coulomb, existe o fenômeno de co-tunelamento (tunelamento de segunda ordem), em que dois elétrons ou processos virtuais permitem corrente residual. Esse efeito é importante em temperaturas muito baixas ou barreiras muito finas.
Passo 5
As flutuações térmicas (energia
) devem ser mantidas bem abaixo de
. Caso contrário, o bloqueio de Coulomb desaparece e o comportamento de único elétron não é observado.
Passo 6
O ruído de carga de fundo, causado por armadilhas de carga no dielétrico ou cargas residuais próximas à ilha, desloca os picos de condutância e afeta a estabilidade do dispositivo.
Passo 7
Por fim, o ambiente eletromagnético e as capacitâncias parasitas ao redor do SET influenciam o acoplamento de ruído, o dissipamento de energia e até a coerência quântica dos elétrons no transporte.
Resposta
Os principais fenômenos a considerar em um SET são: bloqueio de Coulomb (energia de auto-carga
), tunelamento quântico nas junções, quantização de carga e de níveis energéticos, co-tunelamento, flutuações térmicas (
), ruído de carga de fundo e influência do ambiente eletromagnético e das capacitâncias parasitas.