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纳米电子器件中的噪声及其应用研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-10-21  来源:中国LED显示屏网
核心提示:  随着人们对纳米器件研究的深入,纳米器件中的电噪声越来越受到重视。噪声性能也是纳米电子器件性能的一个重要的表征,特别是在纳米电子器件广泛应用超灵敏探测和传感方面,器件中的噪声更是直接决定了探测器的

  随着人们对纳米器件研究的深入,纳米器件中的电噪声越来越受到重视。噪声性能也是纳米电子器件性能的一个重要的表征,特别是在纳米电子器件广泛应用超灵敏探测和传感方面,器件中的噪声更是直接决定了探测器的最高分辨率。

  电噪声伴随着电子器件的出现而出现,它影响器件性能,干扰器件工作,让有用的信号失真。然而噪声并不只是给人们带来麻烦,随着科学技术的进一步发展,人们开始利用噪声来进行测量,因为噪声实质上反映着介观系统内部的输运机制。

  利用散粒噪声,人们成功地观测到了超导中的电子Copper对和强磁场下二维电子气系统中的分数电荷。

  2纳米器件中的几种噪声源2.1热噪声在非绝对零度下,载流子的热涨落是不可避免的噪声源。热激发会引起一个系统的能态被占据数目发生涨落,从而产生热噪声。即使在没有加电压偏置的情况下,热噪声也存在,所以被称为平衡本征噪声,是最典型的白噪声。导体中的热噪声比较简单,其能谱由Nyquist公式给出其中,为Boltzmann常数,"为导体的电阻,为绝对温度。

  2.2散粒噪声散粒噪声源于载流子传输的微粒特性,并因此而得名。1918年,WalterSchottky在真空管中发现了散粒噪声,并发展了其理论。导体中的散粒噪声是电荷量子化的结果,与热噪声不同的是,散粒噪声必须在非平衡系统例如加偏置电压)中才能观察到,因此被称为非平衡本征噪声。

  为了解释散粒噪声的起源,我们考虑一个假想的,当时,有其中V+s是SET的源漏电压,Rs=Ri+R2,库仑阻塞参数=2%-"-,其范围在0  另外,由于超导中的载流子是电子Copper对,其电量为基本电荷的两倍,因此超导单电子晶体管中由于电子Copper对的相干隧穿和库仑作用的共同作用,散粒噪声一般要高于正常导体和半导体单电子晶体管7. 3.2碳纳米管碳纳米管作为一种自组装的具有优良电学性能的纳米材料,在纳米电子器件中主要用作场效应晶体管和单电子晶体管。

  在金属膜和纳米线中,具有两个重要的外部噪声//)来源,一是电荷运动,二是缺陷扩散。

  而在碳纳米管中,由于C-C键结合能非常强,所以受到电荷运动和缺陷扩散的影响就要小多了,所以从理论上讲,碳纳米管中的1//噪声应该远小于金属纳米线*,19.但是事实上人们测量的单壁碳纳米管中的1//噪声很高,在一般的导体,式*)中"=1-15;而在单壁碳纳米管中,119测得"=10u,比前者高出了4个数量级。

  碳纳米管的主要噪声来源有衬底材料上的杂质或者缺陷、碳纳米管上表面杂质波动以及其他吸附物质污染。为了减小1//噪声,在器件的制作中常常采用悬空的碳纳米管,这主要有两个原因,一是悬空的碳纳米管不是直接原位生长的,而是需要利用原子力显微镜1FM)将其移动到预先做好的金属电极上,在AFM的操作过程中,纳米管上的杂质会减少;另一个原因是最主要的,因为纳米管远离衬底,因此衬底上的杂质或者缺陷等能够引起1//噪声的电荷陷阱中心对纳米管的影响就可以被忽略,如所示,其衬底电荷陷阱远离碳。

  势阱中的束缚态就会升高,这样它与两边半导体的导带就会重叠得更多了,电子就会更容易进入势阱,势阱能级进一步上升,两边半导体的导带和中间势阱内的束缚态重叠也就更多,这就形成了正反馈,使得散粒噪声增加而大于Poisson值2e/.近年来,人们常常用量子点来研究强相关系统,即所谓的Kondo效应。在量子点系统中,量子点中的散粒噪声对外部场非常敏感%027.当在量子点系统中加上一个微波场、磁场或者栅电压时,散粒噪声就会减小或者增加。而且,量子点的零频率散粒噪声是偏置电压的非单调函数,其值会在Kondo温度附近达到最大值。因此,利用散粒噪声也可以探测量子点的Kondo温度%. 4噪声测量系统由于纳米器件的尺寸小,工作电压低,信号弱,噪声也相对较弱,因此,要测量其噪声,必须先将噪声信号进行放大。在测量的过程中,测量系统的前置放大器本身的噪声尤其是第一级放大器的噪声)也会加到最后的输出结果中。我们将噪声测量系统的前置放大电路等效成一个理想的无噪声放大网络串联一个电压噪声源再并联一个电流噪声源的综合结果,如所示。

  理想的无噪声网络噪声测试网络等效电路原理图噪声测量系统一般都是由前置放大部分和分析仪部分组成,比较智能化的测量系统还包括自动化控制和数据收集处理系统。分析仪一般用频谱仪、动态分析仪,常见的噪声测量方法有两种,一种是两端的测量方法,一种是四端的测量方法。4.1两端噪声测试法是一种典型的两端噪声测试系统M.为了将信号进一步放大,我们采用两级放大,然后接入分析仪。很显然,测量系统本身的噪声,尤其是放大器的噪声,对测量的样品噪声会有很大的影响,第一级放大器的噪声对待测量的噪声影响最大。因此,在测量过程中,应该先测出测量系统本身的噪声,然后再从样品中扣除这个噪声,就可以得到比较精确的结果。在中,为了更直观地理解本系统,我们把测量系统的噪声等效成一个电流噪声源和一个电压噪声源!*.为待测样品的噪声源,s为待测样品的阻抗,并且把两级放大等效成一个放大器。测量系统的输入阻抗为in,这样整个系统的输入噪声可以由式14)表示。

  其中,rIV是和的标准化互相关函数。为了从中计算出A/%,我们需要知道5个参数,即:,A/2,""%,和二。所以对于任何一个这样的噪声测试系统,在用于测量之前,必须找出这5个参数。

  首先,利用一个很大的电阻%串联一个电压源作为待测样品,并使满足"s》A"n和A!

  然后,采用4个不同的电阻作为待测样品,量系统的输入电阻Zin.为了使操作变得简单,需要适当选取这4个电阻值,例如,当%为无穷大时,式16)简化为A"2=2A!2,因此可以通过开路时测得A!,其他的3个电阻值应该相对较低,并且它们之间的差别要大,以便于计算。为了使测量更为精确,应该多次测量取平均值,从而得到系统的A",A!和Zin.最后需要确定的是A!和A"的标准化互相关函数rIV,一般采用一个理想的电容来确定这个相关项。由于理想电容不产生噪声,这样式14)就可以写成从而确定并联的噪声电压源AF、串联的电流噪声源A!和测量系统的输入电阻in.前面已经说过,电阻%在没有电压偏置的时候只有热噪声源平衡噪声),其电流噪声功率A/s2=4'(/%,式14)中rIV为纯虚数,而为纯实数,所以相关项%*(TIVS-)为零。这样,式14)就可以简化为过测试4个电阻,得到4个方程,就可以确定并联的噪声电压源A"、串联的电流噪声源A!和测利用式17),我们就可以通过a"2得到rIV. 4.2四端噪声测试法上面描述的两端噪声测试系统,最大的缺点就是要确定的系统参数太多,而且由于这些参数都会随着外界的环境而变化,因此要经常重新确定。而采用四端噪声测试系统22,就可以利用减法器,将前置放大器的一部分噪声补偿,使得系统需要确定的参数变得很少。

  是一种最典型的四端噪声测试系统,其中我们将待测样品等效成为一个电压噪声源A"串联一个电阻%。

  待测样品的噪声信号通过两个增益相同的放大器输入双通道频谱分析仪,假设待测样品的电压噪声源和串联的放大器电流噪声源合成一个等效的电压0.那么输入两个放大器的电压信号分别为%!*)和%%*)经过加法器和减法器后,变成了信号*)和)£),满足*)和)*)分别进入双通道频谱分析仪的不同通道,经过快速傅立叶变换之后就分别变成频域信号Sa和S),Sa和S满足仪中的减法运算,将Ss")从Sa")中减去,就可以得到S"),满足这样就得到了样品噪声A和放大器电流噪声源A/n的合成值*)的频域信号;同样,通过开路测试可以得到放大器电流噪声源A/n,然后从结果中减去这部分就可以得到样品的噪声了。

  该四端噪声测试系统的缺陷是很难找到两个完全相同的放大器,且整个系统电路比较复杂。

  在纳米器件的测试过程中,为了分析器件的特性,经常需要将各种噪声分离出来,这样就要采取许多手段。例如,在低频段低于1kHz)测出1//噪声特性,最重要的是测出器件的散粒噪声,但是如果在高温下,会有其中!为器件的直流偏置电压,那么散粒噪声就会被热噪声湮没,如果在低频情况下则会被1//噪声湮没,所以测试要求在低温下进行。通常将样品置于最低温度几十mK)环境中,第一级低噪声放大器放置于极低温度例如4.2K)环境中,然后用同轴电缆接到室温中的第二级放大器上。而且外界的辐射也会导致纳米器件中产生电荷陷阱,从而引起1//噪声的增加,因此要求对样品进行电磁波屏蔽68. 5利用噪声测量探测介观结构噪声不仅是噪声,而且也是信号61.早在20年前,人们就开始利用半导体器件的1//噪声来探测器件中的缺陷数量。器件的本征噪声,尤其是散粒噪声,由于其大小直接反映了器件中载流子的很多详细的情况。除了前面说过的可以利用散粒噪声探测量子点的Kondo温度,还有很多的用途,如态密度、载流子之间的相互作用等。因此,近几年来,越来越多的人开始利用本征噪声探测纳米材料和器件的本征特性。

  近年来,散粒噪声测量被用来作为一种研究量子结构的传输特性和载流子之间相互作用的重要工具。由于电子间的库仑排斥和它们的费米特性Pauli不相容原理),电子间的运动相互受到牵制,动能得到调整,这使得电子的有效电荷并不等于基本电荷e,而是e的分数倍。这将导致器件中的散粒噪声相对于Poisson值2e")减小,或者,也存在其他的因素,如正反馈等,使得散粒噪声高于Poisson值。

  如0所示,假如一束电子碰到一个势垒,入射态全部被电子占据,有一部分会反射回来,另外一部分则透射过去,可以看出反射和透射态都没有满,很容易发生涨落,但是如果有另外一束同样的电子入射时,就会使反射态和透射态都被电子填满,这样就不会有涨落,因此散粒噪声就会受到抑制。

  0电子束通过势垒影响散粒噪声示意图因此,散粒噪声的大小反映了导体内部的很多本质的特性,而这些特性在通常的电流-电压特性中无法反映出来,所以利用散粒噪声可以作为一种先进的介观探测手段。

  一个二维电子气系统置于一个垂直于它的强磁场中,就会发生分数量子霍尔效应,这时由于强磁场的作用,电子间发生强的相互作用力,就产生了承载电流的电量为分数基本电荷的准粒子,如果通过普通的/-曲线则无法观测到分数电荷的存在;如果利用两个量子点接触限制,从而形成势垒,可以反射部分电流。然后通过测试散粒噪声的方法,就可以直接观察到分数电荷。假设测试温度为,施加电压,那么对于没有相互作用的单个一维通道,就可以给出其零频率噪声的解析式。

  其中,(为载流子的电量,*为电导,gb=e"/,为量子电导,)是Boltzmann常数,'是量子点接触的透射率,满足关系式在绝对零度极限下,-')=/-'!/-,B为反向散射电流,式22)就可以简化为这样,通过测试S;和!-,就可以得到载流子的电荷(。采用这种方法可以直接观察到电量分别为e/3和e/5的分数电荷3254.超导BCS理论认为超导中的电子是以Copper对存在的,但是人们一直没有办法证明电子Copper对的存在,而利用散粒噪声测量即可解决这个难题。

  人们先后测试到了Nb-Cu组成的超导-正常金属结35和超导,N)-半导体重掺杂硅)结3A,37中的散粒噪声为两倍的Poisson值,即4e/.这表明了其输运载流子的电量是两个电子电荷,从而验证了电子Copper对的存在。

  散粒噪声除了可以用来探测分数电荷和有效超导电荷,还可以用来探测原子尺寸导体中的量子传输模式3E,3F、隧穿机制m、导体中的电子能量分布41等。

  6结语纳米器件和材料中的噪声越来越受到人们的重视,随着科学技术的发展,可以利用噪声作为一种先进的探测手段,特别是散粒噪声。因为散粒噪声是载流子的输运过程的反应,我们可以用它来探测介观体系的许多性质,这是普通的测量无法满足的。当然,利用散粒噪声作为一种有用的量子探测方式,还刚刚处于萌芽状态,存在许多有待解决的问题,但是我们相信,在不久的将来,这种技术必将成为非常有效的量子探测手段。

 
 
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