دیود تک-الکترونی (Single-Electron Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود تک-الکترونی (Single-Electron Diode) :
دیود تک-الکترونی (Single-Electron Diode) یک قطعه الکترونیکی در مقیاس نانو است که بر اساس پدیده تونل زنی تک الکترونی (Single-Electron Tunneling) و محصورشدگی کولنی (Coulomb Blockade) کار می کند. این دیود می تواند عبور الکترون ها را به صورت تک تک کنترل کند. این قطعات برای کاربردهای فوق العاده کم مصرف و نانوالکترونیک مورد تحقیق هستند.
ساختار یک دیود تک-الکترونی معمولا شامل یک جزیره (Island) یا نقطه کوانتومی (Quantum Dot) بسیار کوچک است که از طریق دو سد تونل زنی (Tunnel Barriers) به دو الکترود (منبع و درین) متصل شده است. یک الکترود سوم (گیت) نیز ممکن است برای کنترل پتانسیل جزیره وجود داشته باشد (شبیه ترانزیستور تک-الکترونی - SET).
مکانیزم کار بر اساس پدیده محصورشدگی کولنی (Coulomb Blockade) است. اگر ظرفیت خازنی جزیره آنقدر کوچک باشد که انرژی شارژ آن با یک الکترون (
\[ E_c = e^2/2C \]) از انرژی حرارتی (
\[ k_BT \]) بیشتر شود، الکترون ها نمی توانند یک به یک از سدها تونل بزنند مگر اینکه ولتاژ بایاس کافی برای غلبه بر این انرژی اعمال شود. با کنترل دقیق ولتاژ، می توان عبور الکترون ها را به صورت تک تک کنترل کرد.
در یک دیود تک-الکترونی نامتقارن (با سدهای نامتقارن یا ساختار نامتقارن)، می توان به خاصیت یکسوسازی دست یافت: عبور الکترون ها در یک جهت آسان تر از جهت دیگر است. این اساس کار دیود تک-الکترونی است.
پارامترهای مهم شامل ظرفیت خازنی جزیره (C) (که باید بسیار کوچک باشد، در حد aF)، انرژی شارژ (E_c)، دمای کاری (که باید به اندازه کافی پایین باشد تا
\[ k_BT < E_c \])، و جریان عبوری (در حد نانوآمپر یا پیکوآمپر).
کاربردهای بالقوه دیود تک-الکترونی شامل مدارات منطقی با توان مصرفی فوق العاده پایین (برای اینترنت اشیا و دستگاه های کاشتنی پزشکی)، آشکارسازهای تک فوتون (Single-Photon Detectors)، و استانداردهای جریان (Current Standards) بر اساس شمارش الکترون است.
ساخت این قطعات بسیار دشوار است و نیاز به فناوری نانوساخت پیشرفته (مانند لیتوگرافی با پرتو الکترونی) دارد. همچنین عملکرد آنها به شدت به دما وابسته است و معمولا نیاز به خنک کاری در دماهای کرایوژنیک (زیر ۱ کلوین) دارند.
مواد سازنده می تواند سیلیکون (با ساختارهای نانو) یا مواد فلز-عایق-فلز باشد. تحقیقات زیادی برای افزایش دمای کاری این قطعات با استفاده از نقاط کوانتومی مولکولی و نانولوله های کربنی در حال انجام است.
در نهایت، دیود تک-الکترونی یک قطعه در مرز تحقیقات نانوالکترونیک است. اگرچه هنوز به صورت تجاری در دسترس نیست، اما پتانسیل زیادی برای ایجاد تحول در محاسبات فوق کم مصرف و اندازه گیری های دقیق دارد.
