JP2003249643A - High-frequency single electron transistor circuit - Google Patents
High-frequency single electron transistor circuitInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、単電子トランジス
タのインピーダンスすなわち微小島における電荷の時間
依存性を、高周波信号の伝達特性によって測定する高周
波単電子トランジスタ回路に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a high-frequency single-electron transistor circuit for measuring the impedance of a single-electron transistor, that is, the time dependence of charges on a micro-island, by the transfer characteristics of a high-frequency signal.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来の高周波単電子トランジスタ回路
は、通常図２のように構成されている。単一電子の帯電
エネルギーが動作温度における熱エネルギーと同程度ま
たはそれ以上となるような微小伝導領域７（以下、「微
小島」という）に、２つのトンネル障壁５、６を介して
電子を出し入れすることができる。通常、このような微
小島７は、半導体や金属を微細加工することによって、
あるいは微小な伝導性分子や微粒子と半導体や金属との
トンネル接合を作製することによって得られる。典型的
な高周波単電子トランジスタ回路においては、微小島７
は、トンネル障壁６によって接地され、トンネル障壁５
を介して人為的または寄生的に形成されたキャパシター
９を介して接地され、かつインダクター８を介して高周
波信号を入出力する入出力端子２１に接続されている。2. Description of the Related Art A conventional high frequency single electron transistor circuit is normally constructed as shown in FIG. Electrons are taken in and out of the minute conduction region 7 (hereinafter referred to as “small island”) in which the charging energy of a single electron is equal to or higher than the thermal energy at the operating temperature, through the two tunnel barriers 5 and 6. can do. Usually, such a small island 7 is formed by finely processing a semiconductor or a metal.
Alternatively, it can be obtained by producing a tunnel junction between a fine conductive molecule or fine particle and a semiconductor or a metal. In a typical high frequency single electron transistor circuit,
Is grounded by the tunnel barrier 6 and the tunnel barrier 5
Is grounded via a capacitor 9 formed artificially or parasitically via the, and is connected to an input / output terminal 21 for inputting / outputting a high frequency signal via the inductor 8.
【０００３】キャパシター９とインダクター８で定めら
れる共振周波数の高周波を入出力端子２１に入力すると
反射信号が上記入出力端子２１に現れる。このとき、高
周波の入力信号に対する反射信号の比、すなわち反射係
数を測定することによって、単電子トランジスタのイン
ピーダンスを高速かつ高感度に求めることができる。こ
のとき、単電子トランジスタのインピーダンスは微小島
の電荷状態によって決まるため、高速かつ高感度な電荷
計として利用することができる。When a high frequency having a resonance frequency determined by the capacitor 9 and the inductor 8 is input to the input / output terminal 21, a reflected signal appears at the input / output terminal 21. At this time, the impedance of the single electron transistor can be obtained at high speed and with high sensitivity by measuring the ratio of the reflected signal to the high frequency input signal, that is, the reflection coefficient. At this time, the impedance of the single-electron transistor is determined by the charge state of the micro-islands, so it can be used as a high-speed and highly sensitive charge meter.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来型の高周波単電子トランジスタ回路においては、高周
波の入出力端子が１つであるため、入力信号と反射信号
の分離回路を外部に必要とするという問題点があった。
また、測定される反射係数は、単電子トランジスタが高
抵抗（クーロンブロッケード状態）の場合には原理的に
１であり、単電子トランジスタが低抵抗（１０キロオー
ム以上）の場合でも、通常用いられている回路定数では
１を僅かに下回る値で、インピーダンスまたはアドミタ
ンス（複素伝導度）を得るためには、上記の僅かな反射
係数の差を測定する必要があるとともに、大きな精度
（桁数）が要求されるという問題があった。However, in such a conventional high-frequency single-electron transistor circuit, since there is one high-frequency input / output terminal, a separate circuit for the input signal and the reflected signal is required outside. There was a problem to do.
The measured reflection coefficient is 1 in principle when the single-electron transistor has a high resistance (Coulomb blockade state), and is usually used even when the single-electron transistor has a low resistance (10 kΩ or more). In order to obtain impedance or admittance (complex conductivity) with a circuit constant that is slightly less than 1, it is necessary to measure the above-mentioned slight difference in reflection coefficient, and a large accuracy (number of digits) is required. There was a problem of being done.
【０００５】本発明は上述の課題を解決するためになさ
れたもので、回路部品を増加することなく、高周波入力
端子と出力端子を分離するとともに、単電子トランジス
タのアドミタンスに比例した出力信号を得ることができ
高周波単電子トランジスタ回路を提供することを目的と
する。The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and separates the high frequency input terminal and the output terminal without increasing the number of circuit parts and obtains an output signal proportional to the admittance of the single electron transistor. It is an object of the present invention to provide a high-frequency single-electron transistor circuit that can be manufactured.
【０００６】[0006]
【課題を解決するために手段】この目的を達成するため
に、本発明においては、単一電子の帯電エネルギーが動
作温度における熱エネルギーと同程度またはそれ以上と
なるような微小伝導領域（以下、「微小島」という）
に、少なくとも第１のトンネル障壁又はキャパシターと
第２のトンネル障壁又はキャパシター（但し、前記第１
のトンネル障壁又はキャパシタがキャパシターの場合に
はトンネル障壁（以下同じ））が設けられ、前記第１ト
ンネル障壁又はキャパシタは第１端子に接続され、前記
第２のトンネル障壁又はキャパシタは、キャパシタを介
して接地されるとともに、インダクターを介して第２端
子に接続されていることを特徴とする高周波単電子トラ
ンジスタ回路とする。In order to achieve this object, in the present invention, a micro-conducting region (hereinafter, referred to as "a small electron conduction region") in which the charging energy of a single electron is equal to or higher than the thermal energy at an operating temperature. (It is called a "small island")
At least a first tunnel barrier or capacitor and a second tunnel barrier or capacitor (provided that the first
If the tunnel barrier or the capacitor is a capacitor, a tunnel barrier (hereinafter the same) is provided, the first tunnel barrier or the capacitor is connected to the first terminal, and the second tunnel barrier or the capacitor is connected via the capacitor. A high-frequency single-electron transistor circuit is characterized in that it is connected to the second terminal through an inductor while being grounded.
【０００７】[0007]
【発明の実施の形態】図１は本発明の実施例に係る高周
波単電子トランジスタ回路の構成図である。微小島７
は、半導体や金属を微細加工することによって、あるい
は微小な伝導性分子や微粒子と半導体や金属とのトンネ
ル接合を作製することによって得られ、１つ以上のトン
ネル障壁を介して電子を１個づつ出し入れすることがで
きる。このような微小島７にはトンネル障壁５を介して
第１端子である高周波入力端子１が接続されている。ま
た、微小島７は、トンネル障壁６とキャパシター９を介
して接地され、さらに、微小島７には第２の端子である
高周波出力端子３に接続されたインダクター８が接続さ
れている。なお、キャパシタ９は、人為的なものでもよ
いし寄生的に形成されたものでもよい。1 is a block diagram of a high frequency single electron transistor circuit according to an embodiment of the present invention. Micro island 7
Can be obtained by microfabrication of semiconductors or metals, or by making tunnel junctions between minute conductive molecules or fine particles and semiconductors or metals, one electron at a time through one or more tunnel barriers. Can be taken in and out. The high frequency input terminal 1 which is the first terminal is connected to the small island 7 through the tunnel barrier 5. The small island 7 is grounded through the tunnel barrier 6 and the capacitor 9, and the small island 7 is connected to the inductor 8 connected to the high frequency output terminal 3 which is the second terminal. The capacitor 9 may be artificial or may be parasitically formed.
【０００８】本発明において、キャパシター９（キャパ
シタンスをＣとする。通常の単電子トランジスタ素子で
は、寄生容量によってＣ〜０．５ｐＦ程度である）とイ
ンダクター８（インダクタンスをＬとする。例えば、高
周波波用チップインダクターを使うことにより、Ｌ〜１
００ｎＨ程度のものが得られる。）とで構成される共振
周波数｛ｆ＝１／２π（ＬＣ）−１／２｝で与えられ、
通常１００メガヘルツ〜数ギガヘルツ）の高周波を入力
端子１より導入すると、透過した高周波が出力端子３に
現れる。入力端子１および出力端子３は、特性インピー
ダンスＺｏ（通常５０オーム）で、それぞれ高周波電源
および検出系（例えばダイオード検波や、ホモダイン検
波法）に接続されているものとする。共振回路のクオリ
ティファクター｛Ｑ＝１／Ｚｏ×（Ｌ／Ｃ）１／２｝で
与えられ、通常５〜２０程度）が１より十分大きく、共
振回路内の実効的なインピーダンス（ＱＺｏで与えら
れ、５００オーム〜１キロオーム程度）よりも単電子ト
ランジスタのインピーダンスＺｘ（１０キロオーム〜１
ギガオーム、またはそれ以上）が大きい領域において
は、出力電圧Ｖｏを入力電圧Ｖ１で割った電圧透過率Ｖ
ｏ／Ｖ１は、Ｖ０／Ｖ１＝ＱＺｏ／ｊＺｘで与えられる
（ここで、ｊ２≡−１）で、位相が９０度ずれて出力さ
れることを示す）。これは、透過率が単電子トランジス
タのインピーダンスに逆比例すること、すなわち単電子
トランジスタのアドミタンス（複素伝導度）に比例した
信号を得ることができることを示している。In the present invention, the capacitor 9 (capacitance is C. In a normal single-electron transistor element, it is about C to 0.5 pF due to parasitic capacitance) and the inductor 8 (inductance is L. For example, high frequency wave L-1 by using the chip inductor for
A value of about 00 nH can be obtained. ) And a resonance frequency {f = 1 / 2π (LC) −1/2 },
When a high frequency of 100 megahertz to several gigahertz is introduced from the input terminal 1, the transmitted high frequency appears at the output terminal 3. It is assumed that the input terminal 1 and the output terminal 3 have characteristic impedance Z o (normally 50 ohms) and are connected to a high frequency power source and a detection system (for example, diode detection or homodyne detection method). The quality factor of the resonant circuit {Q = 1 / Z o × (L / C) 1/2 }, which is usually about 5 to 20) is sufficiently larger than 1, and the effective impedance in the resonant circuit (in QZ o Given, impedance of single electron transistor Z x (about 10 kOhm to 1 kOhm to about 1 kOhm to 1 kOhm)
Gigaohm or more) in the region is large, the voltage transmittance V obtained by dividing the output voltage V o at the input voltage V 1,
o / V 1 is given by V 0 / V 1 = QZ o / jZ x (here, j 2 ≡−1), which indicates that the phase is output with a 90-degree shift. This shows that the transmittance is inversely proportional to the impedance of the single electron transistor, that is, a signal proportional to the admittance (complex conductivity) of the single electron transistor can be obtained.
【０００９】出力電圧をホモダイン検波などによって検
出すると、単電子トランジスタのインピーダンスを抵抗
成分と容量成分を分離することが可能であり、微小なト
ンネル容量の測定も可能である。When the output voltage is detected by homodyne detection or the like, the impedance of the single-electron transistor can be separated into a resistance component and a capacitance component, and a minute tunnel capacitance can be measured.
【００１０】また、単電子トランジスタの素子に印可さ
れる高周波電圧は、微小島の帯電エネルギーと同程度に
設定しなければならないが、本回路においては、素子の
印可電圧は入力電圧とほぼ等しく、キャパシタンスやイ
ンダクタンスの値に依存しないという効果がある。Further, the high frequency voltage applied to the element of the single electron transistor must be set to the same level as the charging energy of the micro islands, but in this circuit, the applied voltage of the element is almost equal to the input voltage, This has the effect of not depending on the values of capacitance and inductance.
【００１１】また、本回路構成においても、電荷の高感
度検出、高速応答という高周波単電子トランジスタの利
点において、従来型の高周波単電子トランジスタと比べ
て遜色はない。Also in this circuit configuration, the advantages of the high-frequency single-electron transistor such as high-sensitivity detection of charge and high-speed response are comparable to those of the conventional high-frequency single-electron transistor.
【００１２】以上の実施例においては、２つのトンネル
障壁５および６を用いた場合についてであるが、いずれ
か一方がトンネル障壁ではなくキャパシターでも同様の
効果が期待される。In the above embodiments, two tunnel barriers 5 and 6 are used, but the same effect can be expected when one of them is not a tunnel barrier but a capacitor.
【００１３】また、本回路構成は、比較的高いインピー
ダンスを有する他の素子にも適応することができる。例
えば、量子ポイントコンタクトは、１つの微小なトンネ
ル障壁を介して、電子が流れる素子で、量子ポイントコ
ンタクト近傍の電荷を反映して素子の伝導度が変化す
る。この場合、単電子トランジスタを、量子ポイントコ
ンタクト構造に置き換えることによって、量子ポイント
コンタクトのアドミタンスに比例した信号を得ることが
でき、高速応答の電荷計として用いることができる。Further, this circuit configuration can be applied to other elements having a relatively high impedance. For example, the quantum point contact is an element in which electrons flow through one minute tunnel barrier, and the conductivity of the element changes by reflecting the charge near the quantum point contact. In this case, by replacing the single-electron transistor with a quantum point contact structure, a signal proportional to the admittance of the quantum point contact can be obtained, and it can be used as a fast-response charge meter.
【００１４】[0014]
【発明の効果】以上説明したように、本発明による高周
波単電子トランジスタ回路においては、従来型のものと
比べて、回路部品を増加することなく、高周波入力端子
と出力端子を分離することができるとともに、単電子ト
ランジスタのアドミタンスに比例した透過率を得ること
ができる。As described above, in the high-frequency single-electron transistor circuit according to the present invention, the high-frequency input terminal and the output terminal can be separated from each other without increasing the number of circuit parts as compared with the conventional type. At the same time, the transmittance proportional to the admittance of the single electron transistor can be obtained.
【００１５】[0015]
【図１】本発明の実施例に係る回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram according to an embodiment of the present invention.
【図２】従来例に係る回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram according to a conventional example.
１ 第１端子（高周波入力端子） ２ 入力側接地端子 ３ 第２端子（高周波出力端子） ４ 出力側接地端子 ５ トンネル障壁 ６ トンネル障壁 ７ 微小島 ８ インダクター ９ キャパシター ２１ 高周波入出力端子 ２２ 接地端子 1 1st terminal (high frequency input terminal) 2 Input side ground terminal 3 2nd terminal (high frequency output terminal) 4 Output side ground terminal 5 tunnel barriers 6 tunnel barrier 7 small islands 8 inductor 9 capacitors 21 High frequency input / output terminal 22 Ground terminal
Claims (2)
おける熱エネルギーと同程度またはそれ以上となるよう
な微小伝導領域（以下、「微小島」という）に、少なく
とも第１のトンネル障壁又はキャパシターと第２のトン
ネル障壁又はキャパシター（但し、前記第１のトンネル
障壁又はキャパシタがキャパシターの場合にはトンネル
障壁（以下同じ））が設けられ、 前記第１トンネル障壁又はキャパシタは第１端子に接続
され、 前記第２のトンネル障壁又はキャパシタは、キャパシタ
を介して接地されるとともに、インダクターを介して第
２端子に接続されていることを特徴とする高周波単電子
トランジスタ回路。1. At least a first tunnel barrier or a capacitor is provided in a minute conduction region (hereinafter referred to as “small island”) in which a charging energy of a single electron is equal to or higher than thermal energy at an operating temperature. A second tunnel barrier or capacitor (provided that the first tunnel barrier or capacitor is a capacitor (hereinafter the same applies if the capacitor is a capacitor)), the first tunnel barrier or capacitor is connected to a first terminal, The high-frequency single-electron transistor circuit, wherein the second tunnel barrier or the capacitor is grounded via the capacitor and connected to the second terminal via an inductor.
り、前記第２の端子が高周波出力端子であることを特徴
とする請求項１記載の高周波単電子トランジスタ回路。2. The high frequency single electron transistor circuit according to claim 1, wherein the first terminal is a high frequency input terminal and the second terminal is a high frequency output terminal.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002047514A JP2003249643A (en) | 2002-02-25 | 2002-02-25 | High-frequency single electron transistor circuit |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002047514A JP2003249643A (en) | 2002-02-25 | 2002-02-25 | High-frequency single electron transistor circuit |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2008230166A Division JP5066687B2 (en) | 2008-09-08 | 2008-09-08 | Impedance measurement circuit for minute conduction region and impedance measurement method for minute conduction region |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003249643A true JP2003249643A (en) | 2003-09-05 |
Family
ID=28660551
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002047514A Pending JP2003249643A (en) | 2002-02-25 | 2002-02-25 | High-frequency single electron transistor circuit |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003249643A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006008335A1 (en) * | 2004-07-19 | 2006-01-26 | Magiq Technologies, Inc. | Capacitive single-electron transistor |
| JP2010181202A (en) * | 2009-02-03 | 2010-08-19 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Apparatus and method for measuring impedance of single electron device |
-
2002
- 2002-02-25 JP JP2002047514A patent/JP2003249643A/en active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006008335A1 (en) * | 2004-07-19 | 2006-01-26 | Magiq Technologies, Inc. | Capacitive single-electron transistor |
| JP2010181202A (en) * | 2009-02-03 | 2010-08-19 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Apparatus and method for measuring impedance of single electron device |
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