En la física mesoscopic , un bloqueo de Coulomb ( CB ), el nombre de Charles-Augustin de Coulomb 's fuerza eléctrica , es la disminución de la conductancia eléctrica a pequeñas tensiones de polarización de un pequeño dispositivo electrónico que comprende al menos uno de baja capacitancia de unión de túnel . [1] Debido al CB, la conductancia de un dispositivo puede no ser constante a voltajes de polarización bajos, pero desaparecer para polarizaciones por debajo de un cierto umbral, es decir, no fluye corriente.
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El bloqueo de Coulomb se puede observar haciendo un dispositivo muy pequeño, como un punto cuántico . Cuando el dispositivo es lo suficientemente pequeño, los electrones dentro del dispositivo crearán una fuerte repulsión de Coulomb que evitará que fluyan otros electrones. Por lo tanto, el dispositivo ya no seguirá la ley de Ohm y la relación corriente-voltaje del bloqueo de Coulomb parece una escalera. [2]
Aunque el bloqueo de Coulomb puede usarse para demostrar la cuantificación de la carga eléctrica , sigue siendo un efecto clásico y su descripción principal no requiere mecánica cuántica . Sin embargo, cuando hay pocos electrones involucrados y se aplica un campo magnético estático externo , el bloqueo de Coulomb proporciona el terreno para un bloqueo de espín (como el bloqueo de espín de Pauli) y un bloqueo de valle , [3] que incluyen efectos de la mecánica cuántica debido a interacciones de espín y orbitales respectivamente. entre los electrones.
Los dispositivos pueden estar compuestos por electrodos metálicos o superconductores . Si los electrodos son superconductores, los pares de Cooper (con una carga de menos dos cargas elementales ) llevan la corriente. En el caso de que los electrodos sean metálicos o conductores normales , es decir, ni superconductores ni semiconductores , los electrones (con una carga de) llevan la corriente.
En un cruce de túnel
La siguiente sección es para el caso de uniones de túnel con una barrera aislante entre dos electrodos conductores normales (uniones NIN).
La unión del túnel es, en su forma más simple, una delgada barrera aislante entre dos electrodos conductores. Según las leyes de la electrodinámica clásica , ninguna corriente puede atravesar una barrera aislante. De acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica , sin embargo, hay una que no se anula (mayor que cero) de probabilidad para un electrón en un lado de la barrera para alcanzar el otro lado (véase el túnel cuántico ). Cuando se aplica una tensión de polarización , esto significa que habrá una corriente y, sin tener en cuenta los efectos adicionales, la corriente de efecto túnel será proporcional a la tensión de polarización. En términos eléctricos, la unión del túnel se comporta como una resistencia con una resistencia constante, también conocida como resistencia óhmica . La resistencia depende exponencialmente del espesor de la barrera. Normalmente, el espesor de la barrera es del orden de uno a varios nanómetros .
Una disposición de dos conductores con una capa aislante en el medio no solo tiene una resistencia, sino también una capacitancia finita . El aislante también se llama dieléctrico en este contexto, la unión del túnel se comporta como un condensador .
Debido a la discreción de la carga eléctrica, la corriente a través de una unión de túnel es una serie de eventos en los que exactamente un electrón pasa ( túneles ) a través de la barrera del túnel (descuidamos el cotunneling, en el que dos electrones hacen túnel simultáneamente). El condensador de unión de túnel se carga con una carga elemental por el electrón de efecto túnel, lo que provoca una acumulación de voltaje ., dónde es la capacitancia de la unión. Si la capacitancia es muy pequeña, el voltaje acumulado puede ser lo suficientemente grande como para evitar que otro electrón forme un túnel. Luego, la corriente eléctrica se suprime a voltajes de polarización bajos y la resistencia del dispositivo ya no es constante. El aumento de la resistencia diferencial alrededor del sesgo cero se denomina bloqueo de Coulomb.
Observación
Para que el bloqueo de Coulomb sea observable, la temperatura debe ser lo suficientemente baja para que la energía de carga característica (la energía que se requiere para cargar la unión con una carga elemental) sea mayor que la energía térmica de los portadores de carga. En el pasado, para capacitancias anteriores 1 femtofarad (10 -15 faradio ), esto implicaba que la temperatura tiene que ser por debajo de aproximadamente 1 kelvin . Este rango de temperatura se alcanza habitualmente, por ejemplo, en los refrigeradores de helio-3 . Gracias a los puntos cuánticos de pequeño tamaño de solo unos pocos nanómetros, el bloqueo de Coulomb se ha observado a continuación por encima de la temperatura del helio líquido, hasta la temperatura ambiente. [4] [5]
Para realizar una unión de túnel en geometría de condensador de placas con una capacitancia de 1 femtofaradio, utilizando una capa de óxido de permitividad eléctrica 10 y un grosor de un nanómetro , se deben crear electrodos con dimensiones de aproximadamente 100 por 100 nanómetros. Este rango de dimensiones se alcanza habitualmente, por ejemplo, mediante litografía por haz de electrones y tecnologías de transferencia de patrones adecuadas , como la técnica de Niemeyer-Dolan , también conocida como técnica de evaporación de sombras . La integración de la fabricación de puntos cuánticos con la tecnología industrial estándar se ha logrado para el silicio. Se ha implementado el proceso CMOS para obtener una producción masiva de transistores de punto cuántico de un solo electrón con un tamaño de canal de hasta 20 nm x 20 nm. [6]
Transistor de un solo electrón
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El dispositivo más simple en el que se puede observar el efecto del bloqueo de Coulomb es el llamado transistor de un solo electrón . Consiste en dos electrodos conocidos como drenaje y fuente , conectados a través de uniones de túnel a un electrodo común con baja autocapacidad , conocido como isla . El potencial eléctrico de la isla se puede sintonizar mediante un tercer electrodo, conocido como puerta , que está acoplado capacitivamente a la isla.
En el estado de bloqueo, no hay niveles de energía accesibles dentro del rango de efecto túnel de un electrón (en rojo) [ aclaración necesaria ] en el contacto de la fuente. Todos los niveles de energía en el electrodo de isla con energías más bajas están ocupados.
Cuando se aplica un voltaje positivo al electrodo de puerta, los niveles de energía del electrodo de isla se reducen. El electrón (verde 1.) puede hacer un túnel en la isla (2.), ocupando un nivel de energía previamente vacante. Desde allí puede hacer un túnel hacia el electrodo de drenaje (3.) donde se dispersa de manera inelástica y alcanza el nivel de Fermi del electrodo de drenaje (4.).
Los niveles de energía del electrodo de isla están espaciados uniformemente con una separación de Esto da lugar a una autocapacidad. de la isla, definida como
Para lograr el bloqueo de Coulomb, se deben cumplir tres criterios:
- El voltaje de polarización debe ser menor que la carga elemental dividida por la autocapacidad de la isla: ;
- La energía térmica en el contacto de la fuente más la energía térmica en la isla, es decir debe estar por debajo de la energía de carga: o de lo contrario, el electrón podrá pasar el QD mediante excitación térmica; y
- La resistencia de los túneles, debería ser mayor que que se deriva del principio de incertidumbre de Heisenberg . [7]
Termómetro de bloqueo de Coulomb
Un termómetro de bloqueo de Coulomb (CBT) típico está hecho de una serie de islas metálicas, conectadas entre sí a través de una fina capa aislante. Se forma una unión de túnel entre las islas y, a medida que se aplica voltaje, los electrones pueden atravesar esta unión. Las tasas de tunelización y, por lo tanto, la conductancia varían según la energía de carga de las islas, así como la energía térmica del sistema.
El termómetro de bloqueo de Coulomb es un termómetro primario que se basa en las características de conductancia eléctrica de las matrices de conexiones de túnel. El parámetro V ½ = 5.439Nk B T / e, el ancho completo a la mitad del mínimo de la caída de conductancia diferencial medida sobre una matriz de N uniones junto con las constantes físicas proporcionan la temperatura absoluta.
Bloqueo de Coulomb iónico
El bloqueo de Coulomb iónico [8] (ICB) es el caso especial de CB, que aparece en el transporte electrodifusivo de iones cargados a través de nanoporos artificiales subnanométricos [9] o canales iónicos biológicos. [10] ICB es muy similar a su contraparte electrónica en puntos cuánticos, [1] pero presenta algunas características específicas definidas por una valencia z posiblemente diferente de los portadores de carga (iones penetrantes frente a electrones) y por el origen diferente del motor de transporte (electrodifusión clásica frente a túnel cuántico).
En el caso de ICB, brecha de Coulomb se define por la autoenergía dieléctrica del ion entrante dentro del poro / canal
ICB se ha observado recientemente de forma experimental en subnanómetros poros. [9]
En los canales de iones biológicos, el ICB se manifiesta típicamente en fenómenos de selectividad de valencia como bandas de conducción (vs carga fija ) y bloqueo divalente dependiente de la concentración de la corriente de sodio. [10] [11]
Referencias
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- ^ Wang, Xufeng; Muralidharan, Bhaskaran; Klimeck, Gerhard (2006). "nanoHUB.org - Recursos: simulación de bloqueo de Coulomb" . nanoHUB. doi : 10.4231 / d3c24qp1w . Cite journal requiere
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- General
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enlaces externos
- Libro Computacional de Electrónica Única
- Conferencia en línea del bloqueo de Coulomb