JP5066687B2 - Impedance measurement circuit for minute conduction region and impedance measurement method for minute conduction region - Google Patents
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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微小伝導領域のインピーダンス測定回路に関するものである。 The present invention relates to an impedance measuring circuit for a micro conductive region that measures the impedance of a single-electron transistor, that is, the time dependency of charge on a micro island, by the transfer characteristic of a high frequency signal.
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。
A conventional high-frequency single-electron transistor circuit is usually configured as shown in FIG. Electrons are transferred into and out of the small conduction region 7 (hereinafter referred to as “micro island”) in which the charging energy of a single electron is equal to or higher than the thermal energy at the operating temperature via two
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
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, such a conventional high-frequency single-electron transistor circuit has one high-frequency input / output terminal, and therefore requires a separate circuit for separating an input signal and a reflected signal. The measured reflection coefficient is 1 in principle when the single-electron transistor has a high resistance (Coulomb blockade state), and is normally used even when the single-electron transistor has a low resistance (more than 10 kilohms). In order to obtain impedance or admittance (complex conductivity) at a value slightly less than 1 for the circuit constants that are present, it is necessary to measure the slight difference in reflection coefficient as described above, and large accuracy (number of digits) is required. There was a problem of being.
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微小伝導領域のインピーダンス測定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-described problem, and can separate an RF input terminal and an output terminal without increasing the number of circuit components and obtain an output signal proportional to the admittance of a single-electron transistor. An object of the present invention is to provide an impedance measurement circuit for a micro conductive region.
この目的を達成するために、請求項１に記載の微小伝導領域のインピーダンス測定回路は、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、第１のトンネル障壁又は第１のキャパシターと、第２のトンネル障壁又は第２のキャパシターとが設けられた単電子トランジスタにおける微小伝導領域のインピーダンスを測定する回路であって、
前記第１のトンネル障壁又は第１のキャパシターは第１端子に接続され、
前記第２のトンネル障壁又は第２のキャパシターは、第３のキャパシター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、
前記第１のトンネル障壁又は第１のキャパシターと、前記第２のトンネル障壁又は第２のキャパシターとの組み合わせは、第１のトンネル障壁と第２のトンネル障壁の組み合わせ、または第１のトンネル障壁と第２のキャパシターの組み合わせ、または第１のキャパシターと第２のトンネル障壁の組み合わせのいずれかが選択され、
前記第１端子に、前記第３のキャパシターと前記インダクターのインダクタンスとで決まる共振周波数の高周波信号が入力されたときに、
前記微小伝導領域における電荷の時間依存性が、前記第２端子から出力される前記高周波信号の伝達特性によって測定され、前記第３のキャパシターと前記インダクターとで構成される共振回路内の実効的なインピーダンスよりも単電子トランジスタのインピーダンスが大きい領域となる前記第３のキャパシターのキャパシタンスと前記インダクターのインダクタンスとを有することを特徴とする。
In order to achieve this object, the impedance measuring circuit for a microconducting region according to claim 1 is a microconducting region (hereinafter referred to as a microconducting region) in which the charging energy of a single electron is equal to or higher than the thermal energy at the operating temperature. A circuit that measures the impedance of a micro-conduction region in a single-electron transistor provided with a first tunnel barrier or first capacitor and a second tunnel barrier or second capacitor There,
The first tunnel barrier or the first capacitor is connected to a first terminal;
The second tunnel barrier or the second capacitor is grounded via a third capacitor and connected to the second terminal via an inductor ;
The combination of the first tunnel barrier or the first capacitor and the second tunnel barrier or the second capacitor is a combination of the first tunnel barrier and the second tunnel barrier, or the first tunnel barrier. Either the second capacitor combination or the first capacitor and second tunnel barrier combination is selected,
When a high frequency signal having a resonance frequency determined by the third capacitor and the inductance of the inductor is input to the first terminal,
The time dependency of the electric charge in the minute conduction region is measured by the transfer characteristic of the high-frequency signal output from the second terminal, and is effective in a resonance circuit composed of the third capacitor and the inductor. It has a capacitance of the third capacitor and an inductance of the inductor, which is a region where the impedance of the single electron transistor is larger than the impedance.
また請求項２に記載の微小伝導領域のインピーダンス測定方法は、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に、第１のトンネル障壁又は第１のキャパシターと、第２のトンネル障壁又は第２のキャパシターとが設けられた単電子トランジスタにおける微小伝導領域のインピーダンスを測定する方法において、
前記第１のトンネル障壁又は第１のキャパシターは第１端子に接続され、
前記第２のトンネル障壁又は第２のキャパシターは、第３のキャパシター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微小伝導領域のインピーダンス測定回路を用いた微小伝導領域のインピーダンス測定方法であって、
前記第１のトンネル障壁又は第１のキャパシターと、前記第２のトンネル障壁又は第２キャパシターとの組み合わせは、第１のトンネル障壁と第２のトンネル障壁の組み合わせ、または第１のトンネル障壁と第２のキャパシターの組み合わせ、または第１のキャパシターと第２のトンネル障壁の組み合わせのいずれかが選択され、
前記第１端子に、前記第３のキャパシターと前記インダクターのインダクタンスとで決まる共振周波数の高周波信号を入力して、前記第２端子から出力される前記高周波信号の伝達特性を測定し、前記第３のキャパシターと前記インダクターとで構成される共振回路内の実効的なインピーダンスよりも単電子トランジスタのインピーダンスが大きい領域となる前記第３のキャパシターのキャパシタンスと前記インダクターのインダクタンスとを有することを特徴とする。
According to the impedance measuring method of the micro conductive region according to claim 2, the first tunnel barrier or the first tunnel barrier is provided in the micro conductive region where the charging energy of a single electron is equal to or higher than the thermal energy at the operating temperature. In a method for measuring the impedance of a microconductive region in a single electron transistor provided with one capacitor and a second tunnel barrier or a second capacitor ,
The first tunnel barrier or the first capacitor is connected to a first terminal;
The second tunnel barrier or the second capacitor is grounded via a third capacitor and is connected to the second terminal via an inductor, and the minute conduction region using an impedance measurement circuit of the minute conduction region. The impedance measurement method of
The combination of the first tunnel barrier or the first capacitor and the second tunnel barrier or the second capacitor is a combination of the first tunnel barrier and the second tunnel barrier, or the first tunnel barrier and the second capacitor. Either a combination of two capacitors, or a combination of a first capacitor and a second tunnel barrier,
A high-frequency signal having a resonance frequency determined by the third capacitor and the inductance of the inductor is input to the first terminal, a transfer characteristic of the high-frequency signal output from the second terminal is measured, and the third terminal The capacitance of the third capacitor and the inductance of the inductor are regions in which the impedance of the single-electron transistor is larger than the effective impedance in the resonance circuit composed of the capacitor and the inductor. .
本発明に係る微小伝導領域のインピーダンス測定回路は、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。 The impedance measurement circuit for a micro conductive region according to the present invention can separate a high frequency input terminal and an output terminal without increasing circuit components and is proportional to the admittance of a single electron transistor as compared with a conventional type. Can be obtained.
図１は本発明の実施例に係る微小伝導領域のインピーダンス測定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、キャパシター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。
FIG. 1 is a configuration diagram of an impedance measurement circuit for a micro conductive region according to an embodiment of the present invention. The micro island 7 is obtained by microfabrication of a semiconductor or metal, or by forming a tunnel junction between a micro conductive molecule or fine particle and a semiconductor or metal, and transmits electrons through one or more tunnel barriers. You can put in and out one by one. A high frequency input terminal 1 as a first terminal is connected to such a small island 7 through a tunnel barrier 5. The small island 7 is grounded via the
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、高周波用チップインダクターを使うことにより、Ｌ〜１００ｎＨ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Ｚ０（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／Ｚ０×（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（ＱＺ０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Ｖ０を入力電圧Ｖ１で割った電圧透過率Ｖ０／Ｖ１は、Ｖ０／Ｖ１＝ＱＺ０／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, a capacitor 9 (capacitance is C. In a normal single-electron transistor element, C is about 0.5 to 0.5 pF due to parasitic capacitance) and an inductor 8 (inductance is L. For example, a high-frequency chip inductor. Can be obtained at a resonance frequency {f = 1 / 2π (LC) −1/2 }, which is generally a frequency of 100 megahertz to several gigahertz). Is introduced from the input terminal 1, the transmitted high frequency appears at the output terminal 3. The input terminal 1 and the output terminal 3 are assumed to be connected to a high-frequency power source and a detection system (for example, diode detection or homodyne detection method), respectively, with a characteristic impedance Z 0 (usually 50 ohms). It is given by the quality factor {Q = 1 / Z 0 × (L / C) 1/2 } of the resonance circuit. Usually, about 5 to 20 is sufficiently larger than 1, and the effective impedance in the resonance circuit (given by QZ 0) is, 500 ohms to 1 impedance single electron transistors than about kohms) Zx (10 kilohm to 1 giga-ohms or in more) region is large, the voltage-transmittance V obtained by dividing the output voltage V 0 at the input voltages V 1 0 / V 1 is given by V 0 / V 1 = QZ 0 / jZx (where j 2 ≡−1), indicating that the phase is shifted by 90 degrees). This indicates 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.
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, it is possible to separate the impedance component of the single electron transistor from the resistance component and the capacitance component, and it is possible to measure a minute tunnel capacitance.
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。 In addition, 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 small islands. However, in this circuit, the applied voltage of the element is almost equal to the input voltage, and the capacitance and inductance This has the effect of not depending on the value of.
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 not inferior to those of the conventional high frequency single electron transistor.
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 embodiment, the two
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。 The circuit configuration can also be applied to other elements having a relatively high impedance. For example, a quantum point contact is an element in which electrons flow through one minute tunnel barrier, and the conductivity of the element changes reflecting the charge in the vicinity of 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 high-speed response charge meter.
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 First terminal (high frequency input terminal)
2 Input side ground terminal 3 Second terminal (high frequency output terminal)
4 Output side ground terminal 5
Claims (2)
前記第１のトンネル障壁又は第１のキャパシターは第１端子に接続され、
前記第２のトンネル障壁又は第２のキャパシターは、第３のキャパシター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、
前記第１のトンネル障壁又は第１のキャパシターと、前記第２のトンネル障壁又は第２のキャパシターとの組み合わせは、第１のトンネル障壁と第２のトンネル障壁の組み合わせ、または第１のトンネル障壁と第２のキャパシターの組み合わせ、または第１のキャパシターと第２のトンネル障壁の組み合わせのいずれかが選択され、
前記第１端子に、前記第３のキャパシターと前記インダクターのインダクタンスとで決まる共振周波数の高周波信号が入力されたときに、
前記微小伝導領域における電荷の時間依存性が、前記第２端子から出力される前記高周波信号の伝達特性によって測定され、前記第３のキャパシターと前記インダクターとで構成される共振回路内の実効的なインピーダンスよりも単電子トランジスタのインピーダンスが大きい領域となる前記第３のキャパシターのキャパシタンスと前記インダクターのインダクタンスとを有することを特徴とする微小伝導領域のインピーダンス測定回路。
A first tunnel barrier or a first capacitor and a second tunnel barrier or a second capacitor in a micro-conduction region where the charging energy of a single electron is equal to or higher than the thermal energy at the operating temperature; A circuit for measuring the impedance of a microconductive region in a single electron transistor provided with
The first tunnel barrier or the first capacitor is connected to a first terminal;
The second tunnel barrier or the second capacitor is grounded via a third capacitor and connected to the second terminal via an inductor ;
The combination of the first tunnel barrier or the first capacitor and the second tunnel barrier or the second capacitor is a combination of the first tunnel barrier and the second tunnel barrier, or the first tunnel barrier. Either the second capacitor combination or the first capacitor and second tunnel barrier combination is selected,
When a high frequency signal having a resonance frequency determined by the third capacitor and the inductance of the inductor is input to the first terminal,
The time dependency of the electric charge in the minute conduction region is measured by the transfer characteristic of the high-frequency signal output from the second terminal, and is effective in a resonance circuit composed of the third capacitor and the inductor. An impedance measuring circuit for a micro-conducting region, comprising: a capacitance of the third capacitor, which is a region in which an impedance of a single electron transistor is larger than an impedance, and an inductance of the inductor.
前記第１のトンネル障壁又は第１のキャパシターは第１端子に接続され、
前記第２のトンネル障壁又は第２のキャパシターは、第３のキャパシター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微小伝導領域のインピーダンス測定回路を用いた微小伝導領域のインピーダンス測定方法であって、
前記第１のトンネル障壁又は第１のキャパシターと、前記第２のトンネル障壁又は第２キャパシターとの組み合わせは、第１のトンネル障壁と第２のトンネル障壁の組み合わせ、または第１のトンネル障壁と第２のキャパシターの組み合わせ、または第１のキャパシターと第２のトンネル障壁の組み合わせのいずれかが選択され、
前記第１端子に、前記第３のキャパシターと前記インダクターのインダクタンスとで決まる共振周波数の高周波信号を入力して、前記第２端子から出力される前記高周波信号の伝達特性を測定し、前記第３のキャパシターと前記インダクターとで構成される共振回路内の実効的なインピーダンスよりも単電子トランジスタのインピーダンスが大きい領域となる前記第３のキャパシターのキャパシタンスと前記インダクターのインダクタンスとを有することを特徴とする微小伝導領域のインピーダンス測定方法。
A first tunnel barrier or a first capacitor and a second tunnel barrier or a second capacitor in a micro-conduction region where the charging energy of a single electron is equal to or higher than the thermal energy at the operating temperature; In a method for measuring the impedance of a microconductive region in a single-electron transistor provided with
The first tunnel barrier or the first capacitor is connected to a first terminal;
The second tunnel barrier or the second capacitor is grounded via a third capacitor and is connected to the second terminal via an inductor, and the minute conduction region using an impedance measurement circuit of the minute conduction region. The impedance measurement method of
The combination of the first tunnel barrier or the first capacitor and the second tunnel barrier or the second capacitor is a combination of the first tunnel barrier and the second tunnel barrier, or the first tunnel barrier and the second capacitor. Either a combination of two capacitors, or a combination of a first capacitor and a second tunnel barrier,
A high-frequency signal having a resonance frequency determined by the third capacitor and the inductance of the inductor is input to the first terminal, a transfer characteristic of the high-frequency signal output from the second terminal is measured, and the third terminal The capacitance of the third capacitor and the inductance of the inductor are regions in which the impedance of the single-electron transistor is larger than the effective impedance in the resonance circuit composed of the capacitor and the inductor. Impedance measurement method for micro conductive region.
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