CN1180484C - 晶体管 - Google Patents

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Abstract

提供了一种晶体管，晶体管包括一个脱氧核糖核酸分子或一个脱氧核糖核酸分子聚集体作为一部分结构材料，具有一个源极元件，一个漏极元件，和一个栅极元件，其中三个电极元件中的至少一个连接脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体。

Description

晶体管
技术领域
本发明涉及一种晶体管，特别是一种能够符合于显著减小电子电路尺寸的极小的晶体管。
背景技术
考虑到其工作现今广泛使用的硅器件的集成度存在着一定的限制。如果硅场效应管的选通脉冲宽度是100nm或更小，则认为这个晶体管很难在工业上使用。此外，如果作为一种原则考虑：如果一个晶体管的选通脉冲宽度是20nm或更小，那么由于隧道效应之类的原因，对这个晶体管的操作将变得不稳定。因此，正在开发诸如碳纳米管和Fullerene之类的利用其本身的官能分子的分子器件作为替代硅的电子器件材料。
其间，脱氧核糖核酸(此后可以称为“DNA”)的一种功能已经受到关注。脱氧核糖核酸是一种具有双螺旋结构的并且由从包括腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶的四种基团中选择的两种基团对在磷酸核糖链上形成的物质。天然DNA具有大约2nm的直径和数米的长度。DNA存在于各种生物体的细胞核中。一个DNA序列记录了全部遗传信息。Watson和Crick发现了DNA的特殊化学结构。此后，开始通过研究DNA序列来研究人类基因组和酶产生。
已经开始研究用DNA作为电子器件的材料，并且DNA的导电性已经引起特别的注意。
如果能够在电子电路上使用DNA，那么可以想到利用DNA作为小电路的组件可以达到超过惯用硅器件电路的集成度。但是，迄今为止，还没有报导过DNA晶体管的操作实例。
发明内容
本发明的一个目的是要提供一种利用DNA作为结构材料的，能够符合显著减小电子电路尺寸的极小的晶体管。
本发明公开了一种晶体管，这种晶体管包括一个源极元件，一个漏极元件，一个栅极元件，和一个脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体，其中所述的源极元件，所述的漏极元件，所述的栅极元件中至少有一个连接所述的脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体。
在本发明的晶体管中，由于使用了一个脱氧核糖核酸分子或一个脱氧核糖核酸分子聚集体作为一部分结构材料，因此晶体管可以极小，并且符合显著减小的电子电路尺寸。
由于采用脱氧核糖核酸分子(DNA)或脱氧核糖核酸分子聚集体的功能，本发明的晶体管存在着两个方面的功能：
(1)一个方面的特征在于DNA或脱氧核糖核酸分子聚集体起到载荷子传送材料的作用。
(2)另一个方面的特征在于DNA或脱氧核糖核酸分子聚集体形成了一个连接栅极元件的团，并且该团具有绝缘材料的功能。
根据方面(1)，所述的电极元件最好是棒状(rod-like)，并且沿脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体的纵向，以所述的源极、栅极和漏极这样的排列顺序连接脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体。
在方面(1)中，所述栅极元件连接所述脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体的部分的宽度优选是0.1nm到100nm。此外，所述源极元件连接所述脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体的点与所述漏极元件连接所述脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体的点之间的间隙优选是1nm至100nm。所述脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体优选具有2nm至10μm的长度。此外，所述脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体具有10个或更少的分子，并且是线状(thread-like)或束状(bundle-like)。
根据方面(1)，本发明的晶体管可通过利用DNA，作为一个单电子隧道效应管操作，或作为一个普通场效应管操作。
根据方面(2)，设置一个脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体，以便与一个载荷子传送材料接触，一个栅极元件连接脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体，以便不与载荷子传送材料接触，一个源极元件和一个漏极元件连接载荷子传送材料同时把脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体夹在它们之间。
根据方面(2)，所述源极元件连接所述载荷子传送材料的点与所述漏极元件连接所述载荷子传送材料的点之间的间隙优选是1nm至1μm。此外，在方面(2)中，载荷子传送材料优选是一个纳米管。根据方面(2)，一个脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体团的厚度优选是2nm至100nm。
在方面(1)和(2)中，脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体中构成脱氧核糖核酸分子基团的数量优选是2至100,000个。
在方面(1)和(2)中，由于DNA极细微，因而很难对其进行有效的电布线。但是，如果用碳纳米管作为电极元件，那么就很容易对DNA进行电布线。也就是说，优选用碳纳米管作为源极、栅极和/或漏极。
附图说明
图1是本发明一个实施例的典型结构图；
图2是可以通过本发明完成的一个单电子隧道效应管的等效电路；
图3是本发明另一个实施例的典型结构图；
图4是示例1的晶体管观察到的AMF图像(照片)；
图5是代表图4的AMF图像(照片)，图4的典型说明图；
图6是显示有关示例1的晶体管，栅极电压在0V至4V范围内变化时，源极和漏极之间的电流-电压特性的曲线图；
图7显示关于示例1的晶体管的源极和漏极之间的电流-电压特性的曲线图；
图8是在制造示例2的晶体管的过程中将一个源极和一个漏极敷设在一个纳米管上观察到的AFM图像(照片)；
图9是代表图8的AFM图像(照片)，图8的典型说明图；
图10是显示关于示例2的晶体管，栅极电压在-1V至-5V的范围内变化时的源极与漏极之间的电流-电压特性的曲线图；
图11是显示关于对比例1的晶体管，栅极电压在-1V至-5V范围内变化时，源极和漏极之间的电流-电压特性的曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种晶体管，晶体管包括脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体作为结构材料的一部分，晶体管具有三个电极材料，即，源极元件，漏极元件，和栅极元件，其中三个电极元件中的至少一个连接脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体。以下将参考附图，通过考虑两个实施例，实施例(1)和实施例(2)，详细说明本发明。
实施例(1)
本发明的实施例(1)的特征在于脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体起到载荷子传送材料的作用。
图1是本发明的实施例(1)的典型结构图。在图1中，标号2代表脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体(此后可以把脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体简称为“DNA″)。三个电极元件，即，源极元件4，栅极元件6，和漏极元件8(在图1中，从左侧开始)按这种顺序连接在DNA上。以这种方式形成了一个晶体管。
脱氧核糖核酸分子(DNA)2可以是由一个DNA形成的，或可以是由两个或更多的DNA的聚集体形成的。当DNA2是由一个DNA形成的时候，优选将它形成纤维形。当DNA2是两个或更多的DNA的聚集体的时候，优选形成一个线状(thread-like)或束状(bundle-like)。DAN2分子的数量优选是10个或少于10个，更好是5个或少于5个。
DNA2的长度优选是在2nm至10μm范围，更好是在3nm至50nm的范围。特别是，如果所得的晶体管是要发挥单电子隧道效应管的功能，那么DNA2的长度希望在4nm至10nm的范围。
如上所述，DNA是一种具有双螺旋结构，并且是由从包括腺嘌呤，胞嘧啶，鸟嘌呤和胸腺嘧啶的四种基团中选择的两种基团对以及磷酸核糖链形成的物质。在实施例(1)中，这些基团的顺序没有限制。在DNA2中，构成DNA的基团的数量优选是2至100,000个，更好是10至300个。
DNA2可以是从各种天然生物源提取的天然DNA，或化学合成的人造DNA。此外，DNA2可以是通过切断、粘合、修改、重排、和重组天然DNA获得的DNA。
如果使用天然DNA，那么最好要提纯天然DNA，因为天然DNA中通常包含蛋白质之类的杂质。以下说明一个特殊的DNA提纯方法。以下的方法仅是示例，各种条件(特别是特定的数值)和过程可以适当地改变。
首先，用乙醇从DNA中除去杂质蛋白质。
接下来，用缓冲溶液(氯化钠：300mmol/L，碳酸钠：10mmol/L，EDTA(乙二胺四乙酸)：5mmol/L)洗涤DNA，以除去杂质。如果希望获得具有更高纯度的DNA，那么最好是用电泳离析DNA。
在用缓冲溶液洗涤DNA之后，将DNA分散在乙醇和水的混合溶液(乙醇：20％重量，水：80％重量)中，以便除去盐类。优选使用蒸馏后用具有0.1μm孔直径的过滤器过滤的乙醇。此外，优选使用(具有18MΩ或更大电阻值的)超纯水。用乙醇和水的混合溶液从DNA除去不必要的盐类两或三次，从而把DNA的密度调整到0.01％至0.1％。
在上述除去杂质的过程中，DNA分子会粘附在一起，成为一块。因此，最好把得到的DNA在乙醇和水的混合溶液中保存1到10天，以便使DNA分子膨胀。保存DNA的温度优选是2℃至10℃。例如，如果将DNA保存在7℃，那么在7天左右DNA将完全膨胀成纤维形。
源极元件4、栅极元件6、和漏极元件8连接在DNA2上的顺序可以从右到左颠倒。也就是说，在本发明中，短语“在DNA的纵向的源极元件、栅极元件和漏极元件的这种排列顺序”表示源极元件、栅极元件和漏极元件的这种顺序与把DNA的哪一端作为DNA纵向的参考端无关。
栅极元件6与DNA2接触部分的宽度优选是0.1nm至100nm，更好是0.5nm至20nm，最好是1nm至15nm。由于可以使栅极元件6的接触部分很窄，因此也可以使源极元件4连接DNA 2的点与漏极元件8连接DNA2的点之间的间隙很窄(栅极元件6设置在源极元件4和漏极元件8之间)。以下说明优选使间隔很窄的原因。
在本发明的实施例(1)中，当把电极线设置到DNA2上时，如图1所示，希望把导电细线(针形线)独立地连接到DNA2。下面说明独立地连接导电细线的原因。
当把DNA用作电子器件时，存在着三点问题。
(1)由于DNA的直径很小，例如，2.3nm，因而电流难于流过DNA。因此，电阻增大。如果源极与漏极之间的间隔较大，那么不能期望DNA作为晶体管器件操作。因此，为了实现一种利用DNA作为载荷子传送材料的晶体管，最好是使源极和漏极之间的间隔尽可能地小。根据本发明人的研究，如果源极与漏极之间的间隙窄于50nm，可以将0.1nA至10nA的电流施加到DNA。
(2)在用于连接到DNA的电极元件(特别是源极元件和漏极元件)的材料中，没有一种无机材料能够实现对DNA的电阻连接。因此，在源极元件和漏极元件连接DNA的部分上，电极元件连接DNA部分的宽度需要相同，并且需要用两个实际上相等的肖特基势垒来实现肖特基连接。
(3)如(1)中所述，最好使源极与漏极之间的间隙尽可能地窄(例如，如上所述，小于50nm)。因此，必须使设置在源极元件和漏极元件之间的栅极元件的宽度窄于源极与漏极之间的间隔。
作为布微小电极的布线方法，一般是用光曝光法或电子束曝光法给DNA曝光，并且抗蚀显影。然后，在其上敷设金属线。但是，在使用DNA之类的有机材料的情况下，在抗蚀显影中不能使用有机溶剂。在光曝光法中，不能敷设具有紫外光的衍射极限的100nm或更小直径的电极线。在电子束曝光法中，由于电子线路的干涉效应，在技术上很难敷设具有10nm或更小直径的电极线。
如上所述，凭借用曝光技术在基底上进行布线不太容易在具有2.3nm直径的DNA分子上布电极线。因此，为了在DNA分子上布电极线，如上所述，希望将独立导电细线(针形线)连接到DNA。
可以使用诸如普通的金属线，金、铂、铜、铬、钛之类的任何材料作为源极元件4、栅极元件6和漏极元件8(以后可称为“电极元件”)的材料。为了实施在DNA这样的极小材料上布线，优选使用碳纳米管(此后简称为“纳米管”)。
纳米管是一种碳材料，并且是一种具有形成闭合圆柱形石墨结构的棒状(rod-like)物质。存在着两种纳米管结构，即，一种多壁结构和一种单壁结构。具有任何一种结构的纳米管可以是一个显示出半导体特性的纳米管，或是一个显示出导体特性的纳米管。具有多壁结构的纳米管或是具有单壁结构的纳米管都可以用于电极元件。由于纳米管的直径极小，因而优选使用纳米管连接到DNA之类的细线。纳米管一般是用电弧放电法、激光消融法、或化学汽相生长法等方法制造的。
用作电极元件的纳米管的直径优选是0.1nm至100nm，更好是0.5nm至20nm，最好是1nm至15nm。特别是，如上所述，栅极元件6的宽度要理想的窄。因此，优选使用具有较小直径的纳米管。更具体地讲，理想地纳米管直径要小于源极元件4与漏极元件8之间的间隔。例如，如果间隔是10nm或更小，那么适合使用具有单壁结构的和0.5nm至2nm直径的纳米管。
源极元件4连接DNA2的点与漏极元件8连接DNA2的点之间的间隙(此后可以称之为“源极-漏极距离”)优选是100nm或更小，更好是50nm或更小。间隔优选是尽可能的窄，以便在电极间施加大的电流量。当把极微小的单壁纳米管用作栅极元件6时，纳米管具有0.5nm至2nm的直径，而DNA具有2.3nm的直径。因此，源极-漏极距离优选是1nm或更大，更好是2nm或更大。
源极-漏极距离一般希望是5nm至20nm。为了实现场效应管，15nm至20nm的距离是最理想的。
在实施例(1)中，通过把源极-漏极距离制造得尽可能的短，可以制造一个不是普通场效应管，而是一个利用库仑阻塞现象的具有单电子隧道效应管功能的晶体管。在这里单电子隧道效应管是指一种由于库仑阻塞现象而能够实施开关操作的晶体管。图2示出了一个单电子隧道效应管的等效电路。
单电子隧道效应管是这样构造的，使得三个小电容器10a，10b和10c能够积累电荷并引起隧道效应。也就是说，由于贯穿电流是由积累的每个小电容器10a，10b和10c中的一个电荷(one electric charge)控制的库仑阻塞现象，源极S与漏极D之间流过的电流在载荷子传送材料12中受到经过一个库仑岛从栅极G施加的栅极电压的控制。结果，单电子隧道效应管具有开关操作。
为了使实施例(1)中的晶体管具有单电子隧道效应管的功能，源极-漏极距离优选是1nm至50nm，更好是2nm至10nm，最好是4nm至8nm。
由于热起伏效应，一般很难使单电子隧道效应管在室温下操作。但是，由于本发明的单电子隧道效应管具有由一个大约1aF(a＝10-18)的DNA结构形成的小电容器，因而可以在室温下操作。
各电极元件连接DNA2的角度没有特别的限制。如图1中所示，电极元件可以这样与DNA2连接，使得电极元件能够在DNA2的纵向与DNA2相交。(电极元件可以与DNA2垂直相交，或可以以预定的角度相交。)此外，电极元件可以这样连接DNA2，使得电极元件的末端与DNA2接触。作为选择，电极元件可以沿DNA2的纵向连接DNA2。在这里，由于栅极元件6必须设置在源极元件4连接DNA2的点与漏极元件8连接DNA2的点之间的间隙中，因此，栅极元件6连接DNA2，使得在DNA2的纵向上栅极元件与DNA2相互交叉，或是栅极元件6的末端与DNA2接触。
用适当的措施结合各电极元件连接DNA2的部位，或不用任何特殊的措施。特别是当把纳米管用作电极元件时，应当考虑到在纳米管和DNA2接触时DNA2的表面条件可能改变。因此，纳米管与DNA2不需要粘合或焊接便可牢固地结合。为了使电极布线更容易，因而用纳米管作为电极元件是理想的。
可以用在把DNA2固定在适当的保持基底上的同时将各电极元件在DNA2上布线的方式，制造上述图1中所示的本发明实施例(1)的晶体管。
使用具有比DNA更高电阻的绝缘基底作为固定DNA的保持基底。保持基底的例子包括超薄氧化硅膜硅基底，蓝宝石单晶基底，或云母基底。在这些基底中，较好的是具有相对于原子排列来说平坦表面的蓝宝石基底或云母基底。
作为一个示例，以下对制造本发明的实施例(1)的晶体管的例子进行说明，晶体管带有一个用在单晶硅基底(100)上生长一层3.5nm厚度的氧化硅薄膜的方式获得的固定DNA的保持基底。这个制造例子只是一个示例，本发明不限于此。
利用超高真空化学汽相法进行在一个单晶硅(100)基底上氧化硅膜的生长，以形成一个超薄膜层。生长所用的材料是甲硅烷和氧基团。生长期间的真空度是2.66×10-6Pa(2×10-8Torr)。生长的温度设定在420℃，生长的速度是0.12nm/sec。
将一个经过如上所述膨胀的DNA分子放置在保持基底的氧化硅膜上。把纳米管之类的针形材料连接到DNA分子的两端，作为一个源极元件和一个漏极元件。然后在源极元件和漏极元件之间连接纳米管之类的针形材料作为栅极。结果，可以制造出本发明的实施例(1)的晶体管。
实施例(2)
在实施例(2)中，脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体形成一个团，以连接栅极元件，并且起绝缘材料的作用。
图3示出了本发明的实施例(2)的一个典型结构图。在图3中，标号20代表载荷子传送材料。将一个脱氧核糖核酸分子(DNA)22的块放置在载荷子传送材料20上，并与之接触。一个栅极元件26连接DNA22，以便不与载荷子传送材料20接触。将源极元件24和漏极元件28放置在DNA22的两端，使栅极元件26处于它们之间。以这种方式，形成了一个晶体管。由于DNA22的存在，在载荷子传送材料20中形成了一个强耗尽层，从而该晶体管起了一个场效应管的作用。
使用与本发明的实施例(1)相同的DNA作为DNA22。DNA22是由大量排列成行的基团形成的，或DNA聚集体形成的。作为一个整体，DNA22被形成一个块。优选将DNA22形成一个团，以便连接栅极元件26，使其不接触载荷子传送材料20。DNA22的厚度优选是2nm至100nm，更好是5nm至30nm。
纳米管、硅、砷化镓、磷化铟、硝酸镓等可以用作载荷子传送材料20。出于由于DNA22的存在形成了一个强耗尽层的事实，使用纳米管是理想的。用作载荷子传送材料20的纳米管的大小没有特别的限制，但是，纳米管的长度一般在5nm与10μm之间，其直径一般在0.5nm和30nm之间。具有多壁结构的纳米管或具有单壁结构的纳米管都可以使用。
纳米管可以令人满意地用作栅极元件26、源极元件24和漏极元件28。如实施例(1)中所述，利用纳米管作为电极元件，可以精确和容易地在包括作为结构材料一部分的DNA的实施例(2)的晶体管上进行电极布线。可以使用与实施例(1)相同的纳米管。
栅极元件26连接DNA22的接触部分的宽度优选是0.1nm至100nm，更好是1nm至10nm。由于具有上述范围的栅极元件26的宽度，提高了栅极的场强，在载荷子传送部分(纳米管)中形成了一个反型层，并因此可以实现开关操作。
源极元件24连接载荷子传送材料20与漏极元件连接载荷子传送材料20之间的间隙(即，源极-漏极距离)优选是1nm至1μm，更好是5nm至100nm。由于源极-漏极距离在上述范围中，提高了源极与漏极之间的电流值，并且也提高了晶体管操作中的SN比。
电极元件连接载荷子传送材料20的角度，或电极元件连接DNA22的角度与实施例(1)中的相同。连接部分的结合也与实施例(1)中的相同。
可以用把纳米管之类的载荷子传送材料20固定在一个适当的保持基底的表面上，将一个DNA22的块放置到载荷子传送材料20上，以便与其接触，并且在其上布电极元件线的方式，制造上述图3中所示的本发明实施例(2)的晶体管。
示例
以下说明本发明的示例，但本发明不限于这些示例。
示例1
在示例1中，使用了从天然鲑鱼的精液取得的DNA。为了从DNA中除去蛋白质之类的杂质，将10mg的粗提DNA分散在10ml的乙醇(99.9％重量)中。将所得混合物在室温下搅拌30分钟，并且用具有1μm孔直径的PTFE(聚四氟乙烯)过滤器过滤。将这种操作重复进行三次。然后，除去了蛋白质所得的DNA分散在100ml的缓冲溶液(氯化钠：300mmol/L，碳酸钠：10mmol/L，EDTA(乙二胺四乙酸)：5mmol/L)中。使用超纯水(电阻值：1.83MΩ)制备缓冲溶液。将所得的混合物在室温下搅拌30分钟，并用具有1μm孔直径的聚四氟乙烯(PTFE)过滤器过滤。因而，从DNA中除去杂质。
接下来，为了从DNA中除去盐类，将DNA分散在乙醇和水的混合溶液(乙醇：20％重量，水：80％重量)中。在用具有0.1μm孔直径的过滤器过滤之前，蒸馏乙醇。使用超纯水(电阻值：18.3MΩ)。在分散之后，摇动所得材料10分钟，并用离心法分离(转数：300rpm，旋转时间：1小时)。这种过程重复三次，最后使DNA密度调整到0.02％重量。
最后，为了分散DNA分子聚集体，将DNA分子在乙醇和水的混合溶液(乙醇：20％重量，水：80％重量)中保存7天(膨胀处理)。在进行了膨胀处理后，确认DNA分子已经膨胀为纤维形。从获得的纤维形DNA提取一个DNA分子，并用于制造以下的晶体管。具有200个形成DNA分子的基团。DNA分子具有2.3nm的直径和65nm的长度。
使用一个保持基底来固定DNA，保持基底是用在一个单晶硅(100)基底上生长3.5nm厚度的氧化硅膜的方式制造的。制造保持基底的特殊方法如上所述。在把DNA分子固定于保持基底表面的氧化硅膜上的同时，使用纳米管作为电极元件进行布线。下述纳米管是用电弧放电法制造的。
为了把纳米管制造的导线连接到DNA分子，使用了一个三探针原子力显微镜(triple-probe atomic force microscope)(以下称为“T-AFM”)。T-AFM是一个实际上用作AFM的，具有三个电独立探针的，并且能够以纳米级精度处理样本和进行电测量的装置。在示例1中，将纳米管构成的探针(纳米管探针)连接到DNA，并且同T-AFM测量电流-电压特性。专用的处理过程如下。
首先，观察目标DNA分子，并且确定在DNA分子上的位置。然后，在用T-AFM移动将要成为一个栅极元件的单壁纳米管(具有1.5nm的直径，即，栅极元件的宽度是1.5nm)时，使单壁纳米管与DNA分子交叉，并且连接DNA分子，从而形成一个栅极。接下来，将两个将要分别成为源极元件和漏极元件的多壁纳米管(具有8nm的直径)靠近DNA分子连接栅极元件的位置，使将要分别成为源极元件和漏极元件的两个纳米管之间保持一个预定的距离。两个多壁纳米管之间的距离成为源极和漏极之间的距离。在示例1中，间隙是20nm，10nm，和5nm。最后，使两个纳米管连接DNA分子，以便把栅极元件连接DNA分子的位置夹在中间。结果，形成了一个源极和一个漏极。此后，从T-AFM切下成为源极元件和漏极元件的两个多壁纳米管。从而制造出了一个示例1的晶体管。
图4示出了观察的示例1的晶体管的AFM图像(照片)。图5示出了一个代表的图4的视图。如图4和5中所示，一个源极，一个漏极和一个栅极连接到DNA。图4和5示出了一个具有20nm的源极和漏极间距离的晶体管。
对于得到的晶体管，将电压施加到栅极，并测量源极和漏极间的电流-电压特性。图6示出了使栅极电压在0V至4V的范围中变化时的源极与漏极间的电流-电压特性的曲线图。使用了一个具有20nm的源极与漏极间距离的晶体管。测量是在室温和干燥氮气环境下进行的。如果栅极电压变化，电流-电压特性也改变。因此，发现制造出了一个具有开关功能的晶体管。
对于得到的具有不同的源极和漏极间间隙的三个晶体管，测量源极与漏极间电流-电压特性。图7示出了有关各晶体管的源极与漏极间电流-电压特性的曲线图。栅极电压固定在2V，测量是在室温和干燥氮气环境下进行的。
如从图7中所见，发现随源极和漏极间的间隙变短，即，20nm，10nm和5nm，电流值增大。此外，在晶体管源极和漏极间距离为5nm时，如从图7的曲线图中所示的电流-电压特性所见，在0.26V，0.34V，0.42V，和0.50V的源极和漏极间电压VDS确认了可以被库仑阻塞现象引起的台阶。结果，可以确认示例1的晶体管可以作为一个单电子隧道效应管操作。
示例2和对比例1
在本示例中，使用了与示例1中相同的DNA，并且对DNA进行了与示例1相同的纯化处理，只是取消了最后的膨胀处理。使用了由一个DNA分子块形成的聚集体来制造晶体管。一个DNA分子平均具有12,000个形成DNA分子的基团。制造一个其中用DNA作为连接栅极元件的绝缘材料的晶体管。将纳米管用作载荷子传送材料。
使用了一个用电弧放电法制造的多壁纳米管(具有3μm的长度，和10nm的直径)。将纳米管固定在如示例1中的保持基底表面的氧化硅膜上。将一个DNA分子块结合到纳米管。
如示例1中那样，利用T-AFM布电极元件线。更具体地讲，使两个由多壁纳米管构成的将要成为一个源极元件和一个漏极元件的探针(纳米管探针具有15nm的直径)连接在一个纳米管的两端，从而形成了源极和漏极。然后，将两个成为源极元件和漏极元件的多壁纳米管从T-AFM切下。源极和漏极把DNA块夹在中间。图8示出了观察AFM图像(照片)，其中在一个纳米管上布设了源极和漏极线。图9示出了代表图8的视图。如图8和9中所示，源极和漏极连接到一个纳米管，并且一个DNA团连接在用作载荷子传送材料的纳米管上。
利用T-AFM的一个纳米AFM探针，通过把一个纳米管连接到DNA团上进行栅极布线。把称为栅极元件的纳米管从AFM探针上切下。用这种方式，制造了示例2的晶体管。用把一个纳米管在一个不是DNA团的位置上连接到一个作为载荷子传送材料的纳米管上的方式制造一个用于对比的对比例1的晶体管。
对于得到的晶体管，向栅极施加电压，并且测量源极和漏极间的电流-电压特性。图10是显示当栅极电压在0V至-5V范围内变化时的示例2的晶体管的源极与漏极间电流-电压特性的曲线图。图11是显示当栅极电压在0V和-5V范围内变化时的对比例1的晶体管的源极与漏极间电流-电压特性的曲线图。
如图11中所示，在栅极电压直接施加到一个纳米管的对比例1的晶体管的情况下，电流泄露，电流-电压特性显示出一个三极管的特性，并且不产生源极-漏极电流值的饱和。相反，在栅极电压施加到DNA的示例2的晶体管的情况下，存在一个源极-漏极电流值的饱和区，并且可以形成一个实际上完美的场效应管。此时，通过从AFM图像计算，发现DNA的厚度是15nm。
如上所述，根据本发明，通过使用DNA作为结构材料，可以获得一个符合于显著地减小电子电路尺寸的极小的晶体管。

Claims (16)

1、一种晶体管包括：
一个源极元件；
一个漏极元件：
一个栅极元件；和
一个脱氧核糖核酸分子或一个脱氧核糖核酸分子聚集体；
其中所述的源极元件，所述的漏极元件和所述的栅极元件至少有一个连接所述的脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体。
2、根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，其中所述脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体用作载荷子传送材料。
3、根据权利要求2所述的晶体管，其特征在于，其中所述的电极元件为棒状(rod-like)，其中，所述源极元件，所述栅极元件，和所述漏极元件以这种排列顺序沿所述脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体的纵向接触。
4、根据权利要求3所述的晶体管，其特征在于，其中所述栅极元件连接所述脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体的部分的宽度是0.1nm至100nm。
5、根据权利要求3或4中任何一个所述的晶体管，其特征在于，其中所述源极元件连接所述脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体的点与所述漏极元件连接所述脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体的点之间的间隙是1nm至100nm。
6、根据权利要求2所述的晶体管，其特征在于，其中所述脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体具有2nm至10μm的长度。
7、根据权利要求2所述的晶体管，其特征在于，其中所述脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体具有10个或更少的分子，并且形成为线状(thread-like)或束状(bundle-like)。
8、根据权利要求2所述的晶体管，其特征在于，进一步具有单电子隧道效应管的功能。
9、根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，其中所述脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体形成团形并且连接所述栅极元件，且作为绝缘材料使用。
10、根据权利要求9所述的晶体管，其特征在于，其中放置所述脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体，以便接触一个载荷子传送材料，所述栅极元件连接所述脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体，但不接触所述载荷子传送材料，所述源极元件和所述漏极元件把所述脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体夹在中间并且连接所述载荷子传送材料。
11、根据权利要求10所述的晶体管，其特征在于，其中所述源极元件连接所述载荷子传送材料的点与所述漏极元件连接所述载荷子传送材料的点之间的间隙是1nm至1μm。
12、根据权利要求10或11中任何一个所述的晶体管，其特征在于，其中所述载荷子传送材料是一个碳纳米管。
13、根据权利要求9至11中任何一个所述的晶体管，其特征在于，其中所述脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体的团的厚度是2nm至100nm。
14、根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，其中在所述脱氧核糖核酸分子或脱氧核糖核酸分子聚集体中构成一个脱氧核糖核酸分子基团的数量是2至100,000个。
15、根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，其中所述栅极是一个碳纳米管。
16、根据权利要求1所述的晶体管，其特征在于，其中所述源极和/或所述漏极是一个碳纳米管。
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