KR100646267B1 - 양자 크기 전자 장치 및 그 동작 조건 - Google Patents
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Abstract
양자 크기 전자 장치는 전극 및 터널형 투명 간극으로 부터 분리된 적어도 하나의 클러스터를 포함한다. 양자 크기의 장치의 소자에 대한 특성 치수는 1 / 4ro ,범위의 식에 의해 결정되면, 여기서 ro = ħ/(meα2
c), ħ는 플랑크 상수, me는 전자 질량, α= 1/137,036 는 미세 구조 상수, c는 광속이다. 클러스터는 반도체 재료, 도체, 초전도체, 고분자 물질이나 터널형 투명 유전체를 가진 외장을 이루어질 수 있다. 완성된 이론은 변환 모드에서 작동 및/또는 정상 상태 및 고온에서 며몇 전자를 저장하는 논리 장치를 설계하는 확률을 제공한다. 장치의 작동 관리는 결정된다. 본 발명은 고온 초전도 소자 및 그것에 기초한 장치를 구축하기 위한 기본 조건을 제공한다.
양자, 전자, 클러스터, 전극, 반도체
Description
본 발명은 양자 성분 및 도체 분야에 관한 것으로서, 특히 최소의 접근 외형 크기, 최대 속도 및 최대 동작 온도를 가지는 집적 회로의 다기능 성분에 관한 것이다. 양자 크기 공명 효과에 기초하여 동작하는 성분과 도체는 2차원(평면형) 및 3차원 전자 장치를 제작하는 데 사용된다.
IC 소자의 크기가 작아지고 있다. 그러나 100 nm 이하의 크기로 IC 소자가 작아지면, 전하 운반자는 이산성과 양자 기계적인 특성을 보이기 시작하며, 이는 능동 소자, 즉 트랜지스터의 구조적인 특성에 영향을 미친다.
동시에, 100 nm 이하의 차원에서 각 트랜지스터 소자들은 실제로 작은 입자, 즉 클러스터이다[1]. 클러스터의 크기가 줄어들면 한 떼의 전자, 그리고 심지어는 하나의 전자까지도 제어할 수 있는 장치를 설계할 수 있는 조건이 만들어질 수 있다.
종래 기술로는 작은 크기의 클러스터를 통하여 단일 전자(single electron) 터널링에 기초한 일군의 전자 장치가 있다. 이러한 장치의 간단한 변형으로는 드레인과 소스 사이에 있으며, 중앙에 작은 내장형(built-in) 클러스터가 있는 격리 자(isolator)를 포함하는 전계 효과 반도체 트랜지스터와 유사한 종류이다. 이러한 트랜지스터를 일반적으로 단일 전자 트랜지스터(SET, single electron transistor)라고 한다.
SET 소자의 격리자에 내장된 클러스터는 기판에 대한 정전 용량(Cc)을 가진다. [2]에 기재되어 있는 효과의 핵심은 e-전하량의 전자 클러스터의 터널 통과 중에 전자는 클러스터의 전위를 ΔU=e/Cc 의 크기만큼 변화시키고, 클러스터에 있는 동안 그 전자의 장(field)이 다른 전자의 통과를 막는다. 이 과정에서, 클러스터의 전위는 클러스터 정전 용량의 열적 노이즈의 전위를 초과한다.
여기에서, k는 볼츠만 상수이고, T는 절대 온도이다.
예를 들면, 유전 투자율(dielectric permeability) ε= 11.7이고 반경 rc = 5nm 인 구형 실리콘 클러스터의 정전 용량 Cc=4πε0εｒc이고, 이에 따라 이 클러스터는 식 (1)에 기초하여 소자의 최대 동작 온도 T는
이고, 여기에서 
는 진공 유전 상수이다.
이 조건은 ε< 5.6인 물질 또는 더 작은 크기의 클러스터를 사용하면 일반적으로 상온, 즉 290-300 K (17-27 ℃)에서 동작하는 단일 전자 양자 장치를 설계할 수 있다. 그러나, 별개의 클러스터를 트랜지스터 전극의 정전 용량을 고려하지 않고, 클러스터를 별개로 마이크로 회로의 구성요소로서 간주하는 것은 물리적으로 타당하지 않다. 그러므로 모든 기생 용량을 고려해야 하는 문제가 있다.
[3]에 기재되어 있는 바와 같이, 고립된 게이트를 갖는 전계 반도체 트랜지스터는 하나의 전자를 기록(register)할 수 있다. 이 경우 적절한 트랜지스터 커낼(canal)의 구조가 그 분석에 영향을 미치지 못한다. 따라서 나노미터(nanometer) 장치 등 이러한 종류의 장치에 대해서는 출력 용량(Ca)뿐 아니라 입력 용량(Ci)도 고려하여야 한다. 그러면, [3, (7.36) 식]에 따라 승수(multiplier) (Ca/Ci)가 (1)에 더해져야 한다.
이 식으로부터 입력 제어 신호가 게이트 또는 클러스터에 가해지고 도체가 적절한(admissible) 크기, 즉 도체 길이가 약 1,000 nm이고 도체 폭이 약 10 nm인 경우, 실리콘 기판에 대한 도체 용량은 Ci ≒ 100 Cc 가 될 것이다. 그러므로 적절한(acceptable) 속도에서, 소자의 동작 온도는 전체적으로 T=1.43 K (-271.72 ℃)이다. 이 온도는 대부분의 공지 SET 소자에서의 한계이다[4-7]. 고온 단일 전자 터널링을 실현하는 방법에 대하여 설명하는 이러한 연구는 사실 [2]에 기재된 것과 동일한 하나의 방법을 사용하였다. 예를 들면, 50 nm 이하의 크기를 가지는 금속 클러스터가 유전체에 부착된 두 전극 사이에 위치하거나[4], 또는 이와 유사하게 0.634 nm 크기의 플러렌(fullerene) 클러스터가 등간격을 이루고 있다(regularly spaced)[5]. 0.2 nm에서 100 nm에 이르는 크기의 구조를 가지는 논리 소자를 가지는 디지털 메모리를 설계하기 위한 다양한 논리 소자가 [6, 7]에 나타나 있다. 한편, 논문 [2]는 앞서 설명한 모든 논문에 대한 종래의 근사 해로서, 원리상 오류가 있다. 특히, 차원 없는 계수 Ca/Ci는 논문 [2]에서 고려되지 않았다. 결국, 논문 [2]의 오류는 단(單) 터널링 원리를 이용한 대부분의 특허에도 전파되었다. 이러한 오류로 인하여 SET에 부여된 많은 수의 특허가 상업상 이용할 수 없는 순수 과학 논문의 범주로 된다. 한편, 모든 능동 소자들은 전기 전도체로 연결되어야 하는데 이 도체들의 크기가 대부분 능동 소자보다 작아질 수 없기 때문에, 기술적인 방법으로는 이 오류를 고치기가 매우 어렵다. 따라서 공급 전극의 큰 기생 용량이 항상 존재한다. 사실상, 이 문제의 유일한 공지의 해결책은 생물학적 개체에서 보여진다. 예를 들면, 동물의 두뇌에서 능동 소자, 즉 뉴런(neuron) 사이의 정보 전달은 수동 도전체가 아니라 특별한 도체, 즉 축색 돌기(axon)를 통하여 이루어진다. 실제로 축색 돌기는 능동 분산 통신선(active distributed communication line)이다. 즉, 축색 돌기는 전기 충격의 전달 과정을 생성하기 위하여 외부 에너지를 소비한다. 뉴런-축색 돌기 연결을 가장 가까운 종래 기술로 간주하면, 크기가 크다는 것(마이크로 미터 단위)과 이온형 전기 전도도로 인하여 전기 펄스가 천천히 진행하는 것(초당 수 미터 정도)이 문제이다. 나머지 다른 점에서는, 이 원리가 본 발명에 대한 좋은 종래의 해법이 될 것이다. 더욱이, 두뇌는 자기 학습 시스템과 관련된 (뉴런형) 분산 컴퓨팅 시스템이다. 그러므로 두뇌의 성분, 즉 뉴런은 본 발명에 대한 종래의 논리 소자에 해당한다.
수많은 다른 연구에서[8], 더욱 전통적인 방법은 전계 트랜지스터의 게이트 절연체에 클러스터를 내장하는 것이다. 유전체(절연체)에 대한 일군의 전자 터널링으로 인하여 클러스터가 충전 및 방전됨으로 인하여 전계 트랜지스터의 특성이 변화할 가능성이 있고 이에 따라 아날로그 또는 디지털 메모리가 만들어질 수도 있다. 그러나 이 경우에 전하 축적이 충분하지 않다.
거기에서 트랜지스터를 연결하는 도체의 공간 용량(space capacitance)을 고려하지 않는다는 것은 전술한 특허의 기재로부터 볼 때 자명하다. 그리고 액체 헬륨의 온도를 넘는 동작 온도가 거기에서 얻어질 수 없다는 것은 당연하다.
연구 [9]는 SET 소자의 동작 온도를 정상 조건까지 높이는 분야의 어떤 진행 과정에 해당한다. 저자는 50 nm의 거리를 두고 있으며 3 nm의 두께를 가지는 티타늄 전극 사이에 30 nm 티타늄 클러스터를 배치하였다. 클러스터와 전극 사이의 간극은 터널-투명 유전체 TiOx로 채웠다. 정상 온도에서 0.1-0.7 V의 작은 전압을 인가하면 전압-전류 특성에 4 개의 N-형 영역이 생성된다. 이러한 특이한 효과는 단일 전자 터널링으로 설명할 수 있다. 한편, 티타늄 산화물이 ε= 24인 점과 기판에 대한 클러스터 및 전극의 정전 용량을 고려하면, 동작 온도는 정상보다 매우 낮아야 한다는 것은 자명하다. 연구자들이 적절한 유전체 TiOx 막의 특이한 특성에 기인한 것으로 여겨지는 효과에 부딪혔다는 것은 분명하다.
사실상, 모든 유전체는 어느 정도 범위까지 비선형 영역, 전기장의 세기에 의존하는 비저항을 가지고 있다. 응답의 초기에, 비저항은 104 V/cm의 전기장 세기에 이르기까지 변화하지 않는다. 트랩-도네이터(donator)에서 풀려난 추가적인 운반자들이 생성되기 때문에 비저항이 더 감소한다[10, c.264]. 유전체가 고분자 화합물이면, 전류는 긴 분자들이 이루는 회전 타원상, 즉 특정 채널을 따라 이를 통하여 흐른다. 값이 105 - 106 V/cm 를 넘으면 일반적으로 유전체의 비가역적 항복이 발생한다. 즉, 질량 전달과 분자 파괴가 항복 경로를 따라 즉시 시작된다. 박막 유전체의 도네이터는 부피량(volume content)은 항복 경로가 형성되기에 충분하지 않으므로, 박막 항복은 전기장 세기가 더 클 때 발생한다. 예를 들면, 약 15 nm 두께의 Si2O3 막의 전기장 세기가 8 MV/cm를 넘지 않을 때이다. 트랩-도네이터의 수가 충분하면, 유전체는 전술한 경로를 통과한 전하를 저장할 수 있다. 전하를 저장하는 이러한 능력은 전자 분야에서 재프로그래밍 메모리를 설계할 때 널리 사용된다. 그러나 이 메모리가 다수의 전자와 동작하고, 서로 다른 특성을 가진 다수의 트랩에 축적된다. 이렇게 되면 트랩으로부터 일정한 전하 누설이 생기고, 결국 소자 특성이 변화한다. 그러므로 이들은 단일 트랩으로 동작하는 나노 크기의 소자에 사용될 수 없다.
유전체의 다른 중요한 비선형 특성은 유전체의 아발랑시(avalanche) 방전이다. 이 방전의 기능을 출력 신호를 제한하는 것이다. 이 경우 방전은 ZnO, 다층 다결정막의 형태로 설계된, 예를 들면 광(wide) 간극 반도체에서, 물질의 파괴 없이 진행된다. 이 막들에서 결정성-클러스터의 크기는 0.2 - 15.0 nm이다. 이들은 2.0 - 10.0 nm 두께의 Bi2O3 터널링 간극에 의하여 나뉜다[11]. 한편, 연구자들은 결정성을 나노 크기, 즉 0.1 μm 이하로 축소시켰을 때의 막 성질의 변화 속성에 대하여 언급하고 있지 않다. 더욱이, 그러한 출력 신호 스토퍼(stopper)는 사용 분야를 제한하는 증폭 특성을 결여하고 있다.
N형 및 S형 특성을 가지는 소자의 클래스는 신호를 비선형 변환하는 할 수 있도록 한다는 것이 알려져 있다. N형 특성은 전자 방울-영역(drops-domains)이 형성된 소자에서 발견된다. 일반적으로, S형 특성은 전류 경로의 생성에 기인하여 나타난다[12, 13]. 그러나, 비선형 소자의 주어진 특성은 마이크론 또는 그보다 큰 크기의 표본에 대해서 일반적으로 주어지며, 나노 크기 표본의 이러한 특성을 기계적으로 적용하는 것을 막아준다. 이에 더하여, 이러한 비선형 특성은 나노 전자 분야를 한정하는 이 전극 소자에 대해서만 특정된 것이다.
비선형 특성의 중요한 유형은 초전도체의 조셉슨 효과에 기초한 히스테리시스 루프 및 이와 유사한 히스테리시스 특성이 있다. 그러나 조셉슨 효과 및 초전도체와 반도체, 초전도체와 금속 등 사이의 다른 터널 효과에 기초한 소자들은 인가 전류 또는 자기장으로 제어된다. 조셉슨 소자의 제어를 위하여 전류원을 설계할 때에는 전체 에너지 손실을 가져오는 매우 높은 전압이 필요하다. 더욱이, 인가 자기장을 도입하면, 이러한 접근을 덩치가 크게(bulky) 만드는 리소그래피로 만들어진 코일 또는 루프가 필요하다. 조셉슨 소자에 이용될 수 있는 사용 가능한 초전도체가 -182 ℃ 를 넘지 않는 임계 온도를 가지며, 이로 인하여 냉각기(cryostat)를 사용할 필요가 있고 소자의 전체 크기(dimension)를 크게 한다. 이러한 모든 것은 나노 전자 분야의 이러한 소자들을 사용하는 것을 어렵게 한다.
이와 유사한 비선형 특성은 고분자 유기 반도체 (BEDT-TTF)mXn [17]에 기초하거나 분자 단일 전자 트랜지스터[18]의 형태인 스테아르(stearic) 산의 랭뮤어-블로짓(Lengmurr-Blodgett)막에 기초한 금속-반도체 상전이(MSPT, metal-semiconductor phase transition)[16]를 포함하는 반도체[15] 또는 물질의 다수의 비정질 및 다결정 막을 가지고 있다. 이 경우, 내장 나노 크기 클러스터를 가지는 랭뮤어막에서의 전자의 통과 과정은 수직 니들(needle) CTM에 의하여 제어된다[18]. 당연하게, 이러한 기하학적인 구조는 제어 전극-니들의 정전 용량을 식 (3)에서보다 실질적으로 낮게 하며, 이에 따라 정상 온도에서의 양자 효과와 낮은 온도를 관찰할 수 있다. 제어 전극이 기판에 적용되면, 소자는 적당한 속도로 저온에서만 동작한다. 따라서 이 특허가 하나의 모델만을 청구하였지만, 고온에서 동작하는 것으로 관찰된 측정 결과가 고전적인 CTM 모델에서 설명되었다.
히스테리시스 루프 특성을 가지는 소자는 정보를 저장할 수 있으므로 메모리 소자를 설계할 수 있다. 셀의 정보는 전류를 이용하여 기록된다. 또한, 메모리 셀을 설계할 때 이용되는 자기 물질의 히스테리시스 특성이 있다. 이 셀의 정보는 부가적인 외부 장을 이용하여 기록된다. 예를 들면, [19]는 PbTe-EuTe-PbTe 시스템에서 나노미터 두께의 자기 반도체막에서의 광자의 활동 하에 있는 전자 스핀-플 립(spin-flip)을 이용하여 다양한 쓰기 정보를 하나의 클러스터에 저장될 수 있다는 것을 보고한다.
SmCo 등 상위 자기 물질은 5 J/mol을 넘지 않는 자기장 저장 에너지를 가지고 있다. 이 물질을 열역학적으로 분석하면 정상 온도에서 1년 이상 정보를 저장할 수 있는 요건을 충족하는 자기 클러스터의 최소 크기는 100 nm 이상이어야 한다는 것을 알 수 있다. 그러므로 [19]의 소자는 실제 이러한 차원으로 한정된다. 따라서 자기 물질은 아직 나노 크기 소자에 대해서는 전망이 없다.
능동 나노 크기의 양자 소자를 설계하기 위한 또 다른 접근[12]은 원자 같은 소자, 즉 반도체로 이루어지는 구형의 초원자류를 초격자 기술에 따라 제조하는 데 기초하고 있다. 여기서 초격자로 이루어진 구형 층은 3 - 10 ㎜크기의 중성자로 둘러싸여 있다. 이러한 클러스터의 전체 직경은 71㎚이다. 소자 내의 전자는 충전된 중성자로 둘러싸인 초격자의 표면을 따라 이동한다. 그러나, 이러한 "엔벨로프(envelope)"에서의 전자의 결합 에너지는 약 1 meV이며, 따라서 액화 헬륨의 온도가 요구된다. 따라서, 정상 온도하에서의 상기한 나노전자 크기의 소자 설계에 대한 접근은 더이상 미래의 기술이 아니다.
한편, 앞서 언급한 예들 중 적어도 금속-반도체 상 전이 (MSPT) 만은 공지 이론을 통해 비선형 S-형 전압-전류 선도로서 대략적으로 설명되고 있다. 이 이론은 결정 구조의 변화로 인한 금속-반도체 전이점에서의 열역학적 불평형 및 히스테리시스의 존재에 근거하고 있다. MSPT시 반도체 소자가 재결정될 때의 모든 열적 과정의 잔존물은 반도체 소자를 마이크로 전자 공학, 나아가 나노 전자 공학에 이 용하는 데 이롭지 못한 영향을 미친다.
능동 나노전자 물질에서 사용하는 데 이로운 비선형 특성은 종종 소자의 크기 감소를 통해 구현된다. 예를 들면, 전극 사이에 위치한 유전체의 두께가 8 ㎚이하로 감소하면, 터널 전류가 전극 사이를 흐르게 된다 [12, p.93]. 이 전류는 전자가 소정 형태의 에너지 장벽을 터널로 통과해서 흐른다고 설명하고 있다. 그러나, 1 - 300mV의 저전압에서 발생하는 장벽의 물질적 비정상에 대해서까지 접근 가능한 것으로 설명되어 있지 않다[13, p.371]. 게다가, 장벽의 임계적 크기인 8 ㎚에 대해서는 어떠한 이론에도 명시되어 있지 않다.
N-형의 특성은 높은 도핑 레벨을 갖는 반도체 다이오드, 즉 터널 다이오드에서 개발되고 있다. 이 특성은 반도체에서 캐리어가 p-n 접합을 통과할 때 나타난다. 전압이 인가된 이러한 다이오드에서, p-n 접합의 정상적인 폭은 10-15 ㎚이며, 전자 드브로이 파장은 3 ㎚이하이다. 고전 이론으로는 이러한 터널 효과를 설명할 수 없다[20, p.349]. 사실, 터널 반도체 다이오드의 전압-전류 선도는 p-n 접합 그리드의 반도체의 포논(phonon)과 광자(photon)을 갖는 캐리어에 반응해서 나타나는 터널 전류로 주장되는 골(valley)을 가진다. 그럼에도 불구하고, 상기한 경우에 사용되는 어떠한 모델도 전압-전류 선도에서의 이러한 비정상을 전압-전류 골에서의 잔류 저장 전류로 설명할 수가 없고, 전압-전류 선도에서의 마루(rising a bulge)도 접합에 추가로 도핑하는 것으로 설명할 수가 없으며, 기타 다른 비정상도 설명할 수가 없다[13].
본 장에서 명백한 바와 같이, 모든 추가 인자를 고려한 SET 소자와 기타 비 선형 소자로 이루어진 종래 기술의 가능한 모델들은 고온 논리 회로를 평가(reckon)할 수 없으며, 결과적으로 이를 설계할 수도 없다. 평가를 위해 열역학적 모델을 사용하는 것은 소자의 구체적인 속도를 연산함으로 인해 많은 문제를 야기한다. N-형의 특성을 갖는 전자의 터널링(tunnelling)을 설명하는 공지 모델들은 전압-전류 선도의 수많은 특성들에 대해서는 표현하고 있지 못하며 이들을 이용해서 나노 크기의 소자를 위한 설계 요구조건들에 대해서 결정할 수가 없다.
따라서, 앞서 설명한 바와 같이 능동 소자를 설계하는 데 적용될 수 있는 물리적 원리는 아직 알려지지 않고 있다. 게다가, 소자의 크기, 속도 및 동작 온도의 물리적 한계도 아직 결정되지 않고 있다.
실제로, 고체 물리학 및 일반적인 물리학의 근본적인 문제는 실험 데이터를 충족하는 기본적인 분자 모델이 존재하지 않는다는 것이다. 따라서, 보통의 전자는 균일하게 충전된 구 또는 구 표면에 집중된 전하 또는 전하 확률 밀도나 질량으로 특정되는 공간에 확산된 어떤 형태 중 하나로 표현된다. 이러한 경우에, 전자의 크기는 그것의 고전 반지름 즉, 핵 반지름에 가까운 치수로 특징 된다는 것을 전제로 한다. 전자의 고전 반지름 값은 "자유" 전자의 분포에 대한 실험으로 얻어진 값에 가깝다. 그러나, 응집 물질에서 전자 반지름의 측정에 대한 어떤 직접적인 실험도 행해지지 않았다. 그러므로, 금속과 반도체에 대한 이론적인 모델은 일반적으로 전자의 고전 반지름이나 전자의 드브로이(de Broglie) 확률 및 파장의 크기를 사용한다. 그러나, 이러한 모델을 사용할 때, 전기 전도성, 열 전도성, 전자 열용량, 초전도성 및 많은 다른 특징과 같은 물질의 주요한 특성을 정확하게 묘사 할 수 없다. 특히, 실험 데이터를 묘사하기 위해서, 반도체 물리학은 일반적으로 많은 파라메트릭한 계수를 가진 일련의 독특한 물리 이론을 사용한다. 새로운 장치의 계산을 시도하면, 계산된 데이터는 실험 데이터와 거의 일치하지 않는다. 이로부터, 이러한 모델은 새로운 특성을 가진 새로운 장치에 적합하지 않으며, 이러한 장치를 만들 수 없게 한다. 이러한 요인의 결과, 나노일렉트로닉스 및 나노기술의 영역으로의 진보는 일반적으로 느려진다. 이러한 위험은 고체에 존재하는 고유 전자의 모양과 크기의 틀린 표현으로 일어난다고 가정할 수 있다.
따라서, 더 정확한 양자 역학 모델을 사용함으로써, 그리고 VLSI(very large scale integrated) 회로 장치의 작동 조건의 최적화를 위한 새로운 방법을 그 기초 상에서 발전시킴으로써, 정상 온도에서 정보를 처리하기 위한 VLSI 회로 장치(109
이상의 능동 소자)를 만들 수 있다.
먼저, 제안된 출원은 전자의 새로운 모델을 고리의 형태로 생각한다. 이 모델은, 알려졌지만 틀린 방법으로 다루어졌던 일련의 실험 사실을 정확하게 묘사할 수 있으며, 새로운 유형의 양자 크기 전자 장치를 생성하는 것이 가능하다는 것을 기초로 새로운 효과를 예견할 수 있다.
특히, 제안된 특허 출원은 본 발명을 물리학의 영역에, 특히 전자 물리학 및 응집 물질 물리학의 영역에 이용한다. 본 발명의 본질은 양자 역학에 대한 극소(micro)에서 대형(macro) 대상으로 결정론적 접근이다. 본 발명의 일부는 특허 출원으로 출원되었다. 이러한 사실은 본 이론에 대한 공개 공보의 존재로 출원 을 심사하는데 어떤 어려움을 낳을 수 있다. 새로운 유형의 특허 가능한 장치가 이 이론에서 나온다. 더욱이, 양자 매크로시스템에 관한 이론의 특허 받을 수 없는 부분은 논문[21]에 공표되었다. 이 논문의 이론적 및 실용적 데이터는 매우 정확하다. 이 사실은 일반적으로 이론의 고신뢰성을 나타낸다.
본 발명의 목적은 양자 크기 장치의 동작온도를 증가시키는 것이다. 이러한 종류의 양자 크기 장치는 이를 통과하는 2개 이상의 전자를 제어하고 최소 허용 크기에서 극도의 접근 속도를 갖게 하는 것이다. 이러한 장치는 2차원 및 3차원 기술에 의해 제조될 수 있다.
실험적 증거의 이론적인 조사 및 분석으로 응축 매체에서의 전자의 상호작용 모델을 설계하게 되었다. 이 모델은 실험적 증거에 보다 정확하게 일치한다. 상술한 모델에 따르면, 응축 매체에서, 전자는 최소의 에너지 및 매체의 원자와의 낮은 상호작용 특성을 갖는 특정의 안정된 상태를 취한다.
응축 매체에서의 전자의 상호작용 메커니즘의 이론적 모델 및 본 발명의 바람직한 실시예가 다음의 본 발명의 상세한 설명에 기술될 것이다.
현재, 장치의 동작 온도를 증가시키는 유일한 방법은 기판 및 장치의 물질의 단파장 포논 및 적외선 포논과 전자와의 상호작용의 단면을 감소시키는 것이다.
아울러, 자유 전자의 상호작용 단면은 고전적 의미의 그 반경 
에 가깝다고 하는 것은 공지의 사실이다. 응측 매체에서의 전자에서의 감마 양자의 콤프톤 산란은 전자의 반경 
을 제공하고, 수소 원자의 산란의 단면적은 보어의 반경 
와 동일하다. 여기에서 
는 플랭크 상수이고, α= 1/137.036 은 미세구조 상수이고, me 는 자유전자 질량이고, c 는 광속이다.
미분기하학은 임의의 공간은 내장 토러스(embeded tori)(앵커링(anchor rings))로, 혹은 특정 토러스의 경우에서는 내장 구(embeded spheres)로 분해(decompose) 될 수있다.[21] 토러스에서의 공간 분해 단계를 선택해보자. 응축 매체에서 전자파의 최대 크기가 다음과 같다고 가정하자:
파의 움직임의 크기 및 속도 α2c에서, 전자는 응축 매체에서 가능한 최소 에너지를 갖게 된다.
기본적으로, 이러한 가정은 19세기에 제안된 켈빈의 원래 사상을 만족한다. 그는 전자는 전류의 볼텍스(vortex)라고 가정했다. 또한, 드 브로이(1924)는 이 모델을 그의 공동 저자와 함께 개발시켰다[22]. 토러스[23, 24]로서 전자를 설명했던 다른 저자들도 유사한 모델을 이용했다. 그러나, 그들의 모델에서 토러스의 주 반경의 크기는 그 콤프톤 반경 r2 = α2ro를 초과하지 않고, 부 토러스 반경은 0에 이른다.
r0와 동일한 주 토러스 반경을 도입하고, 고전적 전자 반경 r1 = α3r0
로 부 토러스 반경을 제한함으로써 이 모델을 확장시켜 보자. 이러한 형태는 각 지점이 비특이 벡터장을 가능하게 하는 폐쇄 지향 2차원면 뿐이다. 미분기하학으로부터 분명한 바와같이, 다른 어떠한 위상 기하학(topology)도 동일 대전된 매체의 형태에서의 자기 작용(self-action)을 갖는 고립계의 평형을 허용하지 않는다.
상술한 것을 고려하면, 동일하게 분포된 전하 e를 갖는 전자링 파는 "링 전자"로 불려질 수 있다. 아주 중요한 사실은 분포된 회전 전하의 축 대칭에 기인하여, 이러한 링은 전자기 혹은 중력파를 방출하지 않는다는 즉, 절대적인 안정성을 갖는다는 것이다.
보어 모델에서 핵 주위로의 포인트 전하 궤도선회로서 혹은 쉬르딩거의 모델(Schroedinger's model)에서 특정 전하 분포율로서 전자를 설명하면서, 사람들은 전자가 전자기파를 방출하지 않는 구분되는 에너지 준위를 도입함으로써 전하의 안정성을 가정하여야만 하였다. 우리의 경우에 있어서는, 전자의 안정성은 그 기하구조에 의해 자동적으로 조절되었다.
전자의 크기 및 형태의 이러한 취급의 정당성에 대한 실험적 뒷받침이 아래에 기술된다.
예를 들면, 저온의 얇은 반도체 레이어에서의 양자 홀 효과(quantum Hall effect)와 같이, 다양한 응축 매체에서 양자 크기 효과가 발생한다[25]. 란다우의 준위에서의 허용된 상태의 밀도는 자기 흐름의 양자 밀도 
와 동일한데, 여기에서 
는 최하위 란다우 준위에 대한 전자 궤도 반경에 분명히 관련된 소위 자기 길이로서, 즉, 여기에서 전자는 링 사이의 간격 
을 갖는 링형 파로 설명된다. 그 회전에서, 링들은 일 평면에 위치된다.
정상 온도에서, 그 크기가 전자 링의 크기에 의해 결정된다고 하는 특성 형태가 나타났다. 이 형태는 0.1 M HCI 전해질에서 2개의 평면의 기계적 상호작용에서 나타난다. 이러한 형태는 오더 7.5 nm의 크기를 갖는다[26, p.170]. 또한, 이 것은 예외적으로 강체이다. 다수의 실험 도중에, 유사한 크기 및 강성의 형태가 액체 상태에서 고체 상태로의 전이의 초기 상태에서 나타나는 것이 관찰되었다.[27]
반경 r0를 갖는 본 제안 전자 모델은 금속 유전 접합(metal-dielectric junction)에서 발생하는 비정상적인 효과를 보다 간단한 방법으로 개연성 모델을 언급하지 않고 설명할 수 있게 한다. 만약 우리가 반경 r0를 갖는 특정 링으로서 전자를 생각한다면, 이러한 링은 예를 들면 8nm 보다 작은 크기의 퍼텐셜 우물을 쉽게 넘나들 수 있다. 이와 같이 극도로 간단화된 기계적 설명은 공간에 분포된 개연성의 특정 밀도로서 입자를 보는 것과는 연결되지 않는 기본적 의미를 낳는다. 그리고 이 경우에서는 임의으 포텐셜 장벽을 통한 입자 터널링을 생각할 필요가 없다.
링 전자 모델을 사용하여, 사람들은 터널 반도체 다이오드의 전류-전압 곡선의 모든 주요한 특징들을 기술할 수도 있다. 반경 r0를 갖는 클러스터의 형태가 심하게 도핑된 반도체의 과포화된 특정 고체 용액에서 가능하다는 생각을 할 수 있다. 이 플러스터는 핵으로서 작용하며 보다 작게 도핑된 반도체의 용매화된 구(solvating sphere), 즉, 개를 초과하지 않는 두께를 갖는 터널 투명 단일층 구(tunnel transparent single-layer sphere) 혹은 터널 투명 다층 구(tunnel transparent multilayer sphere)에 의해 둘러싸여 있다. 이 것은 총 직경이 
인 벌크 형태를 생성시킨다. 이러한 종류의 구조체에 대해서는, 핵은 전체적으로 에워싸는 핵의 표면과 구 사이에서 움직이는 전자 링의 형태의 가능성이 있다. 일단 형성되면, 전자는 전류 링의 형태로서 주어질수 있고, 그 특성이 계산될 수 있다.
전하 e를 갖는 반경 r0 의 얇은 링 전류가 x축 상에서, 전자기장을 결과로서 생성할 수 있다는 것은 공지의 사실이다[28]:
여기에서, 
는 링 전류이다. 이 표현식으로부터 판단하면, x축상에서, 전기장은 링의 중심으로부터의 거리 
에서 최대 포텐셜을 간고, H-필드는 어떠한 최대특성도 갖지 않는다. 따라서, 링 중심으로부터의 거리 
에서, 다른 자유 전자가 정전기적으로 링으로 끌어당겨진다. 또한, 이러한 링의 단면 평면의 중심에서, 전기장 밀도는 제로에 가깝다. 링 중심에서의 이러한 특징 때문에, 널(null)과 동일한 점 전하를 갖는 상호작용 에너지를 그 하부점에 갖는 포텐셜 우물이 형성된다. 크리스탈에서의 전자의 통과 과정에서, 크리스탈 격자의 몇 몇 이온들이 전자 포텐셜 우물 내로 발생한다. 이 것은 링 전자와 이온의 상호작용 에너지를 적어도 
만큼 감소시킨다. 모든 다른 주위 전자들과 링 전자와의 상호작용은 이 링에 의해 둘러싸인 정사각형을 넘어 위치된 정전기 장의 부분에 의해 주로 결정된다. 이 정전기장의 값은 오더 αe로 될 것이라는 것을 보이는 것이 가능하다.
링이 외부 자기장 B에 위치되면, 그 세차 주파수(precession frequency)는 
가 될 것이다. 이 방정식에 따르면, 유효 전자 질량은 
이다. 따라서, 이온 회절 격자(ion grating)(포논 혹은 적외 광자)의 요동에 의한 전자 상호작용의 단면적의 감소가 전자 유효 질량의 증가로서 간주되고, 따라서, 공간 이동의 감소가 포논(혹은 IR 광장)에 의해 부과된다. 상호작용 단면적의 감소는 또한 팩터 αe 에 의해 적절한 전자와 격자 전하 사이의 쿨롱 상호작용(Coulumb's interaction)의 감소로서 해석될 수도 있다. 상술한 내용의 결론으로서, 전자는 전자가 통과하는 매체의 특성을 향해 "의미가 없는(senseless)" 것이 되는 것처럼 보인다.
중 전자(heavy electron)의 존재에 대한 강력한 증거는 f 전자 시스템(f-electronic system)을 갖는 초전도체이다. 예를 들면, 
유형의 시스템이다. 반도체에 대해서는 
이고, 금속에 대해서는 
라는 것을 주목해야한다. 정상 온도에서, 중전자 시스템을 찾을 수 있다. 예를 들면, VO2 유형의 금속 반도체 상 접합을 갖는 물질에서, 유효 전자 질량은 
이다.
따라서, 응축 상에서의 전자 링의 제안된 이론적인 모델의 효력은 충분히 찾을 수 있고, 독립된 실험에 의해 지지된다. 그러나, 전자의 발생은 특정의 외부 충격, 예를 들면, 온도, 높은 강도의 외부장, 다른 일시적인 처리과정 하에서만 가 능하다. 이러한 점 때문에, 이 현상은 정적인 상태에서 일반적인 측정장치에 의해 반도체에서 전자 질량을 측정에 의해서는 나타나 질 수 없다.
반도체에서 이러한 비 정적인 상태의 하나는 펄스 라이트닝(pulse lightening)에서 일어난다. 이 것에 의해 바운디드 스테이트 전자 홀(bounded states electron hole)-엑시톤(exitons)이 형성된다. 이 것들은 보통 반경 
을 갖는 보어 모델에 의해 기술되는데, 여기에서 
는 등가 엑시톤 질량이다. 그러나, 승수 
는 전자 링 모델에 의해 설명될 수 있다. 격자와 전자 링의 상호작용 단면이 αe로 작아지면, 
및 
가 된다. 따라서, 엑시톤 반경 r5 는 r0 보다 커서는 안된다. 이것으로, 엑시톤 에너지(exiton energy)는 
을 초과하지 않고, 
는 보어 원자(Bohr atom)의 주 레벨에 대한 에너지이다. 이 경우에, 엑시톤 드롭플렛(droplet) 내 전자의 이격된 3차원 응축(condensation)은 
의 농도를 갖는다. 농후한 드롭플렛은 Si에서 나타난다. 이 농후한 드롭플렛은 
을 갖고 드롭플렛 내 결합 엑시톤(bounding exciton)의 에너지(W5)는 이미 기술한 제한 조건을 충족하고 [30]에 기술한 실험 데이터와 일치하는 8.2meV이다.
r0 크기의 반경을 갖는 커다란 엑시콘은 와니어-모트 엑시톤(Wannier-Mitt's exciton)으로서 일반적으로 불린다. 실험 데이터는 엑시톤 크기가 0.1 내지 1.0nm로 줄어들면 프렌켈 엑시톤(Frenckel's excition)[30]으로 변형된다는 것을 보여준 다. 이 경우에, r0의 반경을 갖는 전자 링은 원자 프레임의 격자 주기의 크기까지 간단하게 roll up하고, 링 속도는 페르미 표면(Fermi's surface) 상의 속도로 증가한다. 전자는 페르미 표면 상에서 최대 속도값을 갖는다. 이 값은 αc의 크기를 초과하지 않는다.
그래서, 전자 링의 제안된 이론적인 모델은 어떠한 확률 모델(probability models)을 이용하지 않고 시간 변경의 비선형 공정(time-varying and non-linear process)의 대부분을 기술하는 새로운 접근법이 응축된 매체(condensed medium)에서 발생하도록 한다.
어떤 재료에서 외부의 동작에 의해 및/또는 매체의 나노 크기의 구조를 구성(namostructuring)함에 의해 전자 링의 형성 조건을 유도할 수 있다는 것은 이미 기술한 해석에 따른다. 이것에 의해 나노 전자 소자를 동작시키기 위한 공진 조건을 제공하고, 이 공진 조건은 정상 온도 및 좀더 높은 온도에서 기능하도록 한다. 이 모델은 다음에 기술한 발명의 상세한 설명이나 첨부된 도면에 따라서 새로운 동작 모드를 갖는 수많은 새로운 소자를 설계하기 위한 기초가 된다.
본 발명의 본질은 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극, 적어도 하나의 클러스터 및 터널-투과 층을 포함하는 양자 크기 전자 장치는 상기 클러스터가 아래의 식에 의해 결정되는 적어도 하나의 특이한 크기를 갖는 것으로 특징된다:
r = a ·r0,
여기서 r0은 아래의 식에서 전자파의 (링)반경이며:
r0 = ħ/(meα2c),
여기서 ħ는 플랑크상수, me는 전자량, α는 미세구조상수=1/137,036, c는 광속, a는 1 ≤a ≤4의 범위에서 정해지는 계수이다.
이로 인해, 터널-투과 층의 두께는 r0을 초과하지 않고, 전극 사이의 거리는 r0을 초과하지 않는다.
본 발명에 따르면, 클러스터는 금속, 반도체, 초전도체, 고분자유기 재료로 만들어질 수 있다. 그 외에, 터널-투과 층 형태로 엔클로저를 가진 함몰된 형태로 될 수도 있다.
다수의 실시예에서 클러스터는 구형일 뿐 아니라 중심-대칭 형태일 수도 있다.
클러스터의 중심-대칭 형상은 2차원, 그리고 3차원 로직 및 아날로그 구조 모두를 형성할 수 있도록 한다. 그러므로, 이러한 클러스터에 기반을 둔 장치의 작동 온도는 공명기의 Q-인자에 비례하여 증가하게 되고, 클러스터의 적절한 재료의 파괴 온도로 높아질 수 있다. 터널-투과 셸 내의 공동은 상기 종류의 공명기로서 역할을 한다. 이 경우, 상기 공동은 기체 및 상기 열거된 물질 모두로 채워질 수 있다. 공명기 파라미터의 계산 및 공명기를 기반으로 한 장치의 작동 조건은 이하에 설명된다.
다른 실시예에서, 클러스터는 선대칭 형태를 가질 수 있고, 또한 연장될 수 있으며 아래의 식에 의해 정해지는 특이한 단면 크기를 갖는다:
d = b r0, 2 ≤b ≤4.
또 다른 실시예에서, 연장된 클러스터는 그 축을 따라 아래 식에 의해 정해지는 주기의 일정한 구조를 가질 수 있다:
τ= b r0, 1 ≤b ≤4.
본 발명의 또 다른 변형에 따르면, 복수의 클러스터가 적어도 하나의 층에 일정하게 배열되고, 상기 클러스터 사이의 간격이 터널-투과 층이 되며 r0을 초과하지 않는다.
연장된 선대칭 클러스터가 자신들의 단면 크기로 인해 전자에 필요한 공명을 생성할 수 있다는 것은 자명하다. 동시에, 상이한 중심-대칭 구조는 평면 단일 층 설계에 사용되기에 더욱 편리하다. 실제로, 평면 기술은 전자 산업을 주도하고 있는 것이다. 유전체 및 반도체 필름에서 일정한 채널을 구성하는 기술은 충분히 잘 설계된다. 그러므로, 선대칭 클러스터 사이에 매우 간단한 터널-투과 간극을 형성할 수 있게 된다. 이러한 기술은 미래의 3차원 기술로의 진보에 기여할 수 있다. 중심-대칭 클러스터 및 선대칭 클러스터 양자 모두로 구성되는 층은 실제로 활성 매체이다. 소정의 조건(외부 전기장이 공급되었을 때) 하에서, 전하파(wave of charge)는 이러한 유형의 매체 내에서 전달될 수 있다. 마찬가지로, 외피층(cortex)의 액슨(axon)을 따라 섬세한 전기 펄스의 전달이 발생한다.
활성 매체와 나란히, 클러스터는 별도의 전자 장치로서 사용될 수 있고, 제공된 두 개 또는 그 이상의 전극이 이 것들에 연결된다. 이 경우, 이들 전극은 최소의 기생 커패시턴스(parasitic capacitance)를 가질 필요가 있다. 당연히, 2개의 전극이 클러스터에 연결되는 경우, 독특한 다이오드로서 기능을 한다. 3개 및 그 이상의 전극이 클러스터에 연결되는 경우, 독특한 트랜지스터 등으로서 기능을 한다.
그러므로, 적어도 2개의 전극이 클러스터에 연결되어야 하며, 이 중 하나는 제어식이다.
클러스터는 또한 적어도 3개의 전극에 연결될 수 있으며, 이 중 적어도 하나는 제어식 전극이다.
클러스터로 만들어진 전자 장치의 파라미터는 이들의 크기에만 의존되지 않고, 이들에 연결된 전극 소재의 전기적 특성에도 의존된다. 이것은 전자의 크기 및 전극 내에서의 동작 메커니즘이 상기 매체의 파라미터와 밀접하게 관련이 있으며, 매체의 크기, 외부 필드 및 온도를 전달한다. 클러스터를 통한 전자의 동작 과정에서 상기 전자가 전극(제어식 전극) 내에 존재하는 전자 필드에 의해 제어되는 경우, 필드의 상호관계는 매우 필수적이라는 것이 자명하다. 이 경우, 이것은 이들 전자가 결정된(가능성이 아닌) 구조를 갖는다는 것을 의미한다. 또한, 중요한 것은 상기 클러스터 내부로 투입된 전극으로부터 방출된 전자의 형상이다. 그러므로, 상기 장치의 특징은 일반적으로 상기 클러스터의 크기 및 재료, 그리고 상기 전극의 크기 및 재료에 따른다.
본 발명의 또 다른 변형에 따르면, 전극은 도체 및/또는 반도체, 및/또는 초전도체, 및/또는 도전성 유지물질로 만들어질 수 있다.
클러스터는 군으로 합쳐질 수도 있으며, 1차원 및/또는 2차원 및/또는 3차원 구조를 형성할 수도 있다.
군을 형성하는 클러스터의 배열은 각 전극의 상호 위치 및 각 전극의 형태에 의해 이루어진다.
본 발명의 다른 실시예에서, 클러스터는 격리된 공간의 군으로 배열될 수 있으며, 대응되는 전극과 연결된다.
한편, 전극의 크기를 감소시키는 과정에서, 링 전자는 전극을 이탈하거나 보다 작은 크기로 감기려는 경향을 가지며, 전자의 크기는 몇몇 임계값에 의해 제한된다.
초전도체로 만들어진 전극을 사용하는 경우, 전극의 단면 크기는 d ≥2 r0의 크기로 제한된다.
다른 실시예에 따르면, 전극은 MSPT를 갖는 소재로 만들어지며, 단면의 크기는 d ≥2 r0이다.
도체로 만들어진 전극을 사용하는 경우, 전극의 단면 크기는 d ≥r0의 크기로 제한된다. 이 경우, 도체의 저항률은 10-3 Ω·cm 이상이어야 한다.
클러스터 또는 클러스터의 군은 컴퓨터의 RAM, 비디오 화상을 전기 신호로 변환하는 장치, 및 다수의 응용기기를 위해 행렬로 조합된다.
각 클러스터는 적어도 2개의 제어식 전극에 연결될 수도 있으며, 이들 클러스터의 조화는 메모리 셀 행렬을 형성한다.
2개의 제어식 전극은 또한 적어도 2개 또는 그 이상의 클러스터에 연결될 수 있으며, 이들 클러스터의 조화는 메모리 셀 행렬을 형성하여 전력이 약해지더라도 정보를 저장할 수 있다.
클러스터 또는 클러스터의 완전한 군을 기초로 한 최적의 전기적인 조건에서 작동하는 활성 전지를 위해, 이들은 피동 저항 형태로 형성된 부하 또는 유사한 클러스터 형태의 비선형 부재를 통해 공급 전극에 연결된다.
그러므로, 클러스터는 저항 층 또는 클러스터(비선형) 층을 통해 공급 전극에 연결될 수 있다. 비선형 부하를 사용함으로써 메모리를 가진 논리 소자를 용이하게 형성할 수 있다.
모든 가능한 논리 소자는 적절한 클러스터 형태의 저항성 또는 비선형 부하를 갖는 클러스터의 군에 기초하여 형성될 수 있다. 한가지 중요한 것은, 이 경우 구동 및 공급 전극의 기생 커패시턴스가 실제로 전지의 온도 파라미터에 영향을 준다는 사실이며, 그 이유는 이들 전극이 전지의 직접 접촉 때문에 상실되거나 상기 전지의 근접 배열 때문에 최소의 크기를 갖기 때문이다. 공급 또는 제어 전극의 구성을 미리 설정함으로써 상기 전지에 추가의 기능을 추가시킬 수 있다. 이것은 장치의 설계 과정을 상당히 단순화시킨다. 일 실시예에 따르면, 2개 또는 그 이상의 클러스터가 공급 전극에 연결되고, 서로 직접 접촉하는 클러스터의 단일 층 형태인 군으로 배열되며, 하나 또는 그 이상의 클러스터가 제어 입력 전극에 연결되 고, 다른 하나 또는 복수의 클러스터는 출력 클러스터에 연결되어 논리소자 <<OR>>의 출력을 형성한다.
다른 실시예에서는, 2개 또는 그 이상의 클러스터가 일련의 1차원 사슬 형태인 군이 되도록 배열되며, 이들의 짝수 소자가 저항 층을 통해 제1 공급 전극에 연결되고, 홀수 소자는 저항 층을 통해 제2 공급 전극에 연결되어 논리 시프트 레지스터(logical shift register)를 형성한다.
클러스터 및 클러스터 군은 직접 접촉식으로 배열되고, 마찬가지로 전극에 의해 서로 결합된다.
본 발명의 일 실시예에서는, 2개 또는 그 이상의 클러스터가 공급 전극에 연결되고, 단일 층의 형태로 서로 군으로 결합되며, 하나 또는 그 이상의 클러스터가 제어 입력 전극에 연결되고, 다른 클러스터는 출력 전극에 연결되며, 상기 입력 및 출력 클러스터는 유사한 두께 및 폭의 추가의 전극을 통해 서로 연결되며, 상기 전극은 다음 군의 하나 또는 그 이상의 클러스터와 연결될 수 있다. 상기 방안은 장치의 설계를 상당히 단순화시키며, 이로 인해 다양한 논리 소자를 형성할 수 있도록 한다.
공급 전극에 연결되고 단일 층 형태의 군으로 서로 결합되는 2개 또는 그 이상의 클러스터 조화의 다른 변형에서는, 하나 또는 그 이상의 클러스터가 제어 입력 전극에 연결되고, 나머지 클러스터는 출력 전극에 연결되며, 또한 입력 및 출력 클러스터는 신호 방향으로 한쪽이 테이퍼 진 추가의 전극을 통해 서로 연결되고, 상기 전극은 다음 군의 하나 또는 그 이상의 클러스터와 연결될 수 있다.
이 경우, 전극의 공간적인 방향 변화가 전자 링의 동작 방향으로 비대칭 동작을 형성할 수 있다. 이 방안은 신호의 단방향 동작을 위한 설계를 제공할 수 있도록 하고, 이에 따른 장치의 제조 기술을 단순화 시켜준다.
클러스터가 저항 층을 통해 공급 전압에 연결되고, 공급 포인트가 출력 전극에 연결되며, 입력 전압이 터널-투과 간극을 통해 클러스터와 연결된 하나 또는 그 이상의 제어 전극을 통해 직접 공급되는 경우, 논리적으로 역방향 조작이 일어날 수 있다.
2개의 클러스터가 저항성 소자를 통해 공급 전압에 연결되고, 제1 입력 전압이 터널-투과 간극을 통해 하나의 클러스터에 연결된 제1 제어 전극을 통해 직접 공급되며, 제2 입력 전압이 터널-투과 간극을 통해 다른 클러스터와 연결된 제2 전극에 공급되고, 각 클러스터의 저항성 소자에 대한 몇몇 접합점이 서로 결합되고 저항성 소자의 다른 접합점이 출력 전극에 연결되어 2개 신호 아날로그 비교기의 출력을 형성하는 경우, 2개 신호의 아날로그 비교가 실행될 수 있다.
저항소자를 통해 2개의 클러스터는 공급전압에 연결되고, 그의 연결 지점은 출구 전극에 연결될 수도 있다. 이 경우, 제1 입력 전압은 터널-투명 간극을 통해 제1 클러스터에 연결된 제1 조절 전극을 통해 바로 공급되고, 제2 입력 전압은 터널-투명 간극을 통해 제2 클러스터에 연결된 제2 조절 전극을 통해 바로 연결된다. 제2 출력 전극은 터널-투명 간극을 통해 제1 클러스터에 연결된다. 이 경우, 상기 2개의 클러스터가 쌍안정선 트리거 회로를 형성한다.
2개 이상의 클러스터는 저항층을 통해 공급 전압에 연결되어 하나의 공통 출 력 전극에 의해 연합되는, 분리된 그룹을 형성할 수도 있다. 각 분리된 클러스터의 그룹은 하나 이상의 조절 입력 전극으로 연결되고 각 그룹에서 클러스터의 개수는 입력 신호에 따라 가중 작용을 결정하여 신경형 논리 소자 가중 합산기를 형성한다.
하나 이상의 개선점이 적어도 하나의 추가 클러스터 층을 통해 공급 전극에 연결된 하나 이상의 클러스터에 여전히 남아 있다. 이 경우, 부가층은 전력이 중단된 경우에도 초기 상태를 저장할 수 있는 가능성을 제공하는 부하로 작용한다.
2개 이상의 클러스터는 공급 전극에 연결되고 클러스터에 바로 접촉하는 단일층 형태의 그룹으로 서로 연결된다. 하나 이상의 클러스터는 입력 전극을 조절하기 위해 연결되고 다른 클러스터 및 클러스터들은 "메모리에 의해 출력 전극과 연결되어 논리 기억 소자인 "OR"를 형성한다.
2개 이상의 클러스터는 공급 전극에 연결되고 단일층의 형태의 그룹으로 서로 연결될 수도 있다. 하나 이상의 클러스터는 조절 입력 전극에 연결되고 다른 클러스터 및 클러스터들은 출력 전극에 연결되어서 입력과 출력 클러스터가 동일한 두께와 폭의 부가 전극을 통해 서로 연결되는 외에 이들 전극은 다음의 그룹에 연결될 수 있다. 이러한 종류의 회로는 메모리를 가진 단일 증폭기로서 작용할 수도 있다.
2개 이상의 클러스터는 공급 전극에 연결되고 단일층의 형태의 그룹으로 서로 연결될 수도 있다. 하나 이상의 클러스터는 조절 입력 전극에 연결되고 다른 클러스터 및 클러스터들은 출력 전극에 연결되어서 입력과 출력 클러스터가 한쪽 면의 끝이 한쪽 방향으로 좁아지는 테이퍼형의 부가 전극을 통해 서로 연결되는 외에, 모든 전극은 다음 그룹의 하나 이상의 클러스터에 연결될 수도 있다. 이러한 종류의 회로는 메모리를 가진 단일 증폭기로서 작용할 수도 있다. 이 경우, 테이퍼형의 전극은 신호 전달의 방향성 및 입력과 출력 사이의 교차 결합을 제공한다.
하나 이상의 부가적인 클러스터에 의해 공급 전압에 연결되고 단일 공통 출력 전극에 의해 결합되는 분리된 그룹을 형성할 수도 있다. 각 분리된 그룹의 클러스터는 하나 이상의 조절 입력 전극에 연결된다. 각 그룹에서 클러스터의 개수는 입력 신호에 따른 가중 기능을 결정하여 신경형 논리 소자-메모리를 가진 가중 합산기를 형성한다.
클러스터가 부가 클러스터를 통해 공급 전압에 연결되고, 접합점이 출력 전극에 연결되고 입력 전압이 하나 이상의 조절 전극을 통해 하로 공급되어 터널-투명 간극을 통해 클러스터에 바로 연결되어서 메모리를 가진 역 논리 소자(inversion logical component)를 형성하는 경우, 중요한 논리 작용을 실행할 수도 있다.
추가의 실시예에서, 2개의 클러스터는 부가의 클러스터에 의해 공급 전력에 연결되고, 제1 입력 전압은 제1 조절 전극으로 투명터널-투명 간극을 통해 하나의 클러스터에 직접 연결되고, 제2 입력 전압은 투명터널-투명 간극을 통해 다른 클러스터에 연결된 제2 전극으로 연결되고, 각 클러스터의 저항 소자의 접합점의 일부는 서로 연결되고 저항 소자를 통해 공급 전극에 연결되고, 부가적인 클러스터의 접합점은 출력 전극에 연결되어 메모리를 가진 2개의 단일 아날로그 비교기의 출력 을 형성한다.
추가의 클러스터를 통해 공급 전력에 연결되는 2개의 클러스터에서 여전히 추가의 개선점이 존재한다. 이의 접합점은 출력 전극에 연결되고, 제1 입력 전압은 터널-투명 간극을 통해 제1 클러스터에 연결된 제1 조절 전극을 통해 직접 공급되고, 제2 입력 전극은 터널-투명 간극을 통해 제2 클러스터에 연결된 제2 조절 전극을 통해 직접 공급되고, 제2 출력 전극은 터널 투명 간극을 통해 제1 클러스터에 연결되어 메모리를 가진 쌍안정성 트리거를 형성한다.
클러스터로 이루어진 필름 상에 특정 배위의 전극, 예를 들면 얇은 스트립 또는 카이트의 형태로 전극이 적용된 경우, 클러스터상의 전자의 전파 파장이 정보를 기록하거나 탐독하기 위해 사용될 수도 있다. 이러한 종류의 장치는 감광성 필름에서 화상 정보를 탐독하거나 또는 화상 정보를 재생하는 데, 예를 들면 디스플레이에서 유용한 것이다. 이 경우, 오토 스캐닝 덕분에, 탐독 소자 또는 재생 소자, 즉, 발광소자 또는 다른 광학적 활성 물질의 매트릭스 조절할 필요가 없다.
하나 이상의 클러스터 층을 적어도 2개의 조절 전극―이것 중 적어도 하나의 광투명한 것임―에 연결되고 클러스터 사이의 공간은 감광성 반도체로 충전된다면, 광-조절 메모리 매체가 형성된다. 이 경우, 전극이 분배되고 셀에 대한 레퍼런스는 레이저에 의해 영향을 받게 될 것이다. 이러한 종류의 매체는 레이저 디스크에서 사용할 수도 있다.
본 발명의 다른 실시예에서는 하나 이상의 클러스터 층이 적어도 2개의 전극―이것 중 적어도 하나의 광투명한 것임―에 연결되고 클러스터 사이의 공간은 디 스플레이의 스크린을 형성하는 광학적 활물질로 충전된다.
본 발명의 다른 실시예에서는 하나 이상의 클러스터의 층이 적어도 2개의 전극―이것 중 적어도 하나는 격자인 전자에 투명한 것임―에 연결되고, 클러스터 사이의 공간은 진공에서 전자의 작업 기능이 낮은 물질로 충전되어 전자의 공급원을 형성한다.
실질적으로, 클러스터로 이루어지고 전극 사이에 배치된 층이 장치에 배설된다. 이러한 종류의 구조에서는, 전기장의 에너지가 전자 운동의 파로 변형된다. 제한된 공간에서 파의 진행하는 경우, 상기 파의 이동에 공명 요구가 설정될 수도 있다. 따라서, 고주파 발생을 시킬 수가 있다.
이러한 개선에 따라, 하나 이상의 클러스터 층이 공진기의 형태로 이루어진 다른 2개의 이간된 전극에 연결되어서 다음 식으로 측정되는 최대 경계 주파수(maximal boundary frequency)를 가진 고주파 발생기를 형성한다:
공명 세포는 실질적인 양자 장치이기 때문에, 이 셀의 파라메터는 전세계에서 일정하게 측정된다. 따라서, 러퍼런스 전압 공급원을 이룰 수 있는 기회가 있다.
추가의 개선점으로는, 하나 이상의 클러스터가 직접 접촉되어 연결되거나 전극을 통해 함께 결합하고 전압 공급원에 연결되어서, 적어도 하나의 접합이 출력 전극에 연결되어서 다음의 수준을 가지는 표준 전압 공급원을 형성하게 한다:
U = nα3c2me/2e
상기 식에서, n은 직렬로 연결된 클러스터의 개수임.
클러스터 상에 제조된 상기 장치의 소망하는 특징을 얻기 위해서, 공급 전압(전기장 밀도) 및 작업 온도를 선별함으로써 올바른 이들의 작업 조건을 고정할 필요가 있다.
장치의 작업 방법은 하나의 클러스터당 파장 조절 강도는 다음의 범주에서 결정되는 것을 특징으로 한다:
Emin ≤E ≤Emax
상기 식에서, 
, Emax = Emin/4πα임.
상기 기재된 장치의 작업 방법은 연속 및 펄스 공급을 이용할 수 있다는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따라는 다른 분류의 전자 장치는 다음의 개선점을 포함한다.
외래의 전기-물리적 특징을 가진 다수의 물질이 있다. 이들 물질에서 전자는 최대 에너지를 가진다. 즉, 이들은 링에 가까운 형태를 가지고 있다. 이들 물질을 이용하여 제조된 전자 장치의 다양성을 확대할 수 있고 이들의 설정 방법을 단순화하는 것이 가능하다. 그러나, 전자 링의 크기보다 작은 부피까지 장치의 크기를 감소시키는 것으로 장치의 특성의 퇴보를 초래한다는 것을 감안할 필요가 있다. 장치의 조절 및 공급 전극에 대한 요구는 상기 개시된 요구와 유사하다. 실 재로, 장치를 설정하는 방법은 상기와 유사하다; 따라서 별도의 설명이 없다.
전극을 포함하는 양자 크기의 전자 장치는 다음의 식으로 결정되는 단면의 크기를 가지는 클러스터의 형태로 이루어진다:
r=ar0
상기 식에서, a는 2 ≤a ≤4의 범주에서 결정되는 계수이고, 전극 사이의 거리는 r0이상임.
추가의 개선점은 클러스터를 공급 전극에 연결하고 적어도 하나의 부가를 터널-투명 간극을 통해 하나 이상의 조절 전극에 연결하는 것이고, 터널-투명 간극의 두께는 r0를 초과하지 않고 전극 사이의 거리는 r0보다 작지 않다.
초전도체 또는 MSPT를 가지는 물질로 이루어진 전극은 다음과 같은 단면의 크기를 가질 수도 있다:
d ≥2r0.
전극이 도체로 이루어졌다면, 교차 크기는 표준 d ≥2r0으로 측정된다. 따라서, 비저항은 10-3Ω㎝보다 작지 않아야 한다.
클러스터는 적어도 하나의 저항층을 통해 공급 전극에 연결될 수도 있다.
이러한 종류의 층은 공급 전극에 연결되고 직접 접촉하는 클러스터의 단일층의 형태의 그룹에 결합되는 하나 이상의 클러스터에 연결될 수도 있다. 하나 이상의 클러스터는 조절 입력 전극에 연결되고 다른 클러스터 또는 클러스터들은 출력 전극에 연결되어서 논리 소자인 "OR"의 출력을 형성한다.
추가의 개선점으로는, 하나 이상의 클러스터가 공급 전극에 연결되고 단일 층의 형태의 그룹으로 함께 결합되고, 하나 이상의 클러스터가 조절 입력 전극에 연결되는 외에, 다른 클러스터 또는 클러스터들이 입력 전극에 연결되고, 입력 및 출력 클러스터가 그 사이에서 동일한 두께와 폭의 추가 전극을 통해 연결되고, 상기 전극이 하나 이상의 다음 기의 클러스터에 연결할 수 있다. 이러한 종류의 회로는 신호 증폭기로 작용할 수도 있다.
2개 이상의 클러스터를 통과하는 일방향성 신호가 전극에 연결되고 단일 층의 형태로 그룹 내에 함께 결합되는 경우, 하나 이상의 클러스터가 조절 입력 전극에 연결되는 외에, 다른 클러스터 또는 클러스터들이 출력 전극에 연결되고, 출력 및 입력 클러스터가 신호 방향으로 한쪽 면에서 끝이 가늘어지는 추가의 전극을 통해 연결되고, 그 외에 상기 전극이 하나 이상의 다음 그룹의 클러스터에 연결할 수도 있다.
입력 전압은 터널-투명 간극을 통해 클러스터에 연결된 하나 이상의 조절 전극을 통해 직접 공급되고, 클러스터가 공급 전압에 저항 소자를 통해 연결되는 외에 연결점이 출력 전극에 연결된다면, 논리 소자인 "NOT"을 출력한다.
두 신호의 아날로그 비교 동작을 실행하기 위하여, 2 개의 클러스터가 저항 요소를 통해 공급 전압과 연결되며, 제1 입력 전압은 터널-투명층을 통하여 하나의 클러스터에 연결된 제1 제어 전극을 통해 직접 공급되고, 제2 입력 전압은 터널-투명간극을 통해 다른 클러스터에 연결된 제2 전극으로 공급되며, 각 클러스터의 저 항 요소 연결 지점의 일부는 함께 만나며, 저항 요소의 다른 연결 지점은 출력 전극과 연결됨으로써, 2개 신호 아날로그 비교기의 출력을 형성한다.
본 발명에 따른 하나 이상의 소자는, 2개의 클러스터가 저항 요소를 통해 공급 전압에 연결되도록 형성되며, 그것들의 연결 지점은 출력 전극과 연결되고, 제1 입력 전압은 터널 투명간극을 지나 제1 클러스터와 연결된 제1 제어 전극을 통해 직접 공급되며, 제2 입력 전압은 터널 투명간극을 지나 제2 클러스터와 연결된 제2 제어 전극을 통해 직접 공급되고, 제1 출력 전극은 터널 투명층을 통해 제2 클러스터와 연결되며, 제2 출력 전극은 터널 투명층을 통해 제1 클러스터와 연결됨으로써 쌍안정 트리거를 형성한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 하나 이상의 클러스터가 저항층을 통해 공급 전압과 연결되어 하나의 공통 출력 전극으로 결합된 격리된 그룹을 형성하며, 클러스터의 각각의 격리된 그룹은 하나 이상의 제어 입력 전극과 연결되고, 각각의 그룹에 있는 클러스터의 수는 입력 신호에 따른 웨이팅 기능(weight function)을 결정함으로써, 신경형 논리 소자, 즉 웨이트 콤비너(weight combiner)를 형성한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 둘 이상의 클러스터가 적어도 2 개의 제어 전극에 연결된다; 클러스터들 사이의 간격은 광민감성 매트릭스를 형성하는 그러한 클러스터의 세트인 광민감성 반도체로 채원진다.
이 경우, 소자의 동작 온도가 금속-반도체 상전이(相轉移)의 온도보다 낮으면 광전 신호가 기억된다.
본 발명의 또 다른 실시예는 클러스터의 하나 이상의 층이 적어도 2개의 전 극과 연결되는 것이며, 그것의 적어도 하나는 광학적으로 투명하며, 클러스터들 사이의 간극은 광학적으로 액티브한 재료로 채워짐으로써 디스플레이 스크린을 형성한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 클러스터의 하나 이상의 층이 적어도 2개의 전극에 연결되는 것이며, 그것의 적어도 하나는 전자용의 투명 그리드이고, 클러스터들 사이의 간격은 진공 속에서 전자의 활동성이 낮은 재료로 채워진다.
클러스터의 하나 이상의 층이 공진기 형태의 적어도 2개의 서로 이격된 전극에 연결되면, 그것들은 다음식으로부터 정해지는 최대 컷오프 주파수를 가진 고주파 공진기를 형성한다.
f ≤meα4ｃ2/h.
MSPT를 가지는 재료로 형성된 클러스터에 의한 소자의 동작 절차는 적어도 하나의 클러스터를 통한 전달 전류를 포함하며, 클러스터를 통하는 전류 밀도는 다음의 값으로 제한된다.
j ≤4πeme
3α8ｃ4/h3
클러스터에 소자의 동작 온도보다 높은 금속-반도체 상전이 온도를 가지는 재료가 사용되면, 본 발명에서는 하나의 클러스터에 대해 다음의 전계 밀도를 가질 필요가 있다.
E ≤me
2α5ｃ3/2eh,
이 조건은 소자의 동작 온도보다 낮은 금속-반도체 상전이 온도를 가지는 재료로 형성된 클러스터에 사용하는 경우에는 선택 사항이다.
광민감성 매트릭스에 있어서, 적어도 하나의 클러스터를 통한 전류의 전달을 포함하는 동작의 프로세스는, 소자의 동작보다 높은 금속-반도체 상전이 온도를 가지는 재료의 클러스터에서 사용되는 것을 포함한다.
전자 소자 및 집적 회로의 비(比)전력 소비를 감소하기 위해, 실온 이상에서 작동하는 초전도 재료를 사용하는 것이 실용적이다. 이런 종류의 초전도 재료는 링 전자의 특수형의 페어링(pairing)에 의해 규정되며, 크리스탈린 그레이팅(crystalline grating)에 의한 포논 인터액션(phonon interaction)의 붕괴를 초래한다. 이런 종류의 재료의 볼트암페어 특성은 반도체-금속 상전이를 가지는 재료의 볼트암페어 특성과는 반대이다. 따라서 임계 온도 이상으로 온도가 증가하면, 반도체는 일반 반도체 또는 도체로 변한다. 임계 온도를 초과하면 반도체-금속 상전이의 재료는 금속 도체로 변한다. 그러나, 크리스탈린 그레이팅에 의한 링 전자의 인터액션의 포논 메커니즘이 완전히 사라지지 않기 때문에 그것의 저항은 최종값이 유지된다. 그러나 초전도체 재료를 베이스로한 설계의 기본 요건은 반도체-금속 상전이 재료를 베이스로 하는 소자에 대한 이미 공개된 요건과 유사하다. 이경우에는 전극 및 클러스터의 치수에 대한 요건은 링 전자의 직경보다 작을 수 없다는 요건이 적용된다.
본 발명의 또 다른 실시예는 중간에 위치하는 전극 및 적어도 하나의 클러스터를 포함하는 퀀텀 사이즈 전자 소자는, 클러스터가 초전도체 재료로 형성되며, 다음 식으로 정해지는 횡단면 사이즈를 가지는 것을 특징으로 한다:
r = ar0
여기서 a 는 2 ≤a ≤4 범위의 상수이며, 전극 사이의 거리는 r0 를 초과한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 클러스터가 공급 전극 및 적어도 하나의 부하에 연결되는 것이며, 터널-투명간극을 통해 그것들은 하나 이상의 제어 전극에 연결되며, 터널-투명간극의 두께는 r0를 넘지 않는다.
추가적으로 소자는 전극이 초전도체 또는 MSPT를 가지는 재료로 형성되며, d ≥2r0 의 횡단면 사이즈를 가지는 것을 특징으로 한다.
전극이 도체로 도체로 만들어진다면, 횡단면 사이즈는 기준 d ≥2r0 ,에 따라 정해진다. 따라서 비저항은 10-3Ωcm보다 작지 않아야 한다.
본 실시예에 따른 하나 이상의 클러스터는 하나의 저항층을 통해 공급 전극으로 연결될 수 있다.
그러한 저항층을 통해 둘 이상의 클러스터는 공급 전극에 연결되어 중간 클러스터와 직접 접촉하는 단일층의 형태의 그룹과 함께 합쳐지고, 또한 하나 이상의 클러스터는 제어 입력 전극에 접속되며, 나머지 다른 클러스터가 출력 전극에 접속되어, 논리 소자 "OR"의 출력을 형성한다.
더 개선된 형태로, 두개 이상의 클러스터가 전원 전극에 접속되며 한 층의 형태로 그룹으로 함께 결합되고, 또한 하나 이상의 클러스터가 제어 입력 전극에 접속되며 다른 클러스터가 출력 전극에 접속되고, 입력 및 출력 클러스터는 같은 두께와 폭의 추가 전극을 통하여 중간에 접속되고, 또한 전극은 다음 그룹의 하나 이상의 클러스터에 접속될 수 있다.
두개 이상의 클러스터를 통과하는 지시된 신호를 확보하도록, 두개 이상의 클러스터가 전원 전극에 접속되며 한 층의 형태로 그룹으로 함께 결합되고, 하나 이상의 클러스터가 제어 입력 전극에 접속되며, 다른 클러스터가 출력 전극에 접속되고, 입력 및 출력 클러스터는 한편에서 신호 방향으로 가늘어지는 추가 전극을 통하여 중간에 접속되고, 또한 이들 전극은 다음 그룹의 하나 이상의 클러스터에 접속될 수 있다. 같은 종류의 회로가 입력과 출력 교차 결합을 가진 신호 증폭기로서 이용될 수 있다.
입력 신호 반전과 같은 중요한 논리 소자는, 입력 전압이 터널형 투명층을 통하여 클러스터에 접속되는 하나 이상의 제어 적극을 통하여 직접 공급되면, 생성될 수 있고, 클러스터는 저항 소자를 통하여 전원 전압에 접속되고, 또한 접속점은 출력 전극에 접속되어 논리 소자 "NOT"의 출력을 형성한다.
다음 개선에 따라, 두개의 클러스터는 전원 전압에 저항 소자를 통하여 접속되며, 이것으로 제1 입력 전압은 터널형 투명 간극으로 통하여 제1 클러스터에 접속된 제1 제어 전극을 통하여 직접 공급되며, 제2 입력 전압은 터널형 투명 간극을 통하여 제2 클러스터에 접속된 제2 전극에 공급되고, 또한 각 클러스터의 저항 소자에 접속되는 접속점의 일부는 함께 결합하며, 저항 소자의 나머지 다른 접속점은 두 신호의 비교 회로의 출력인 출력 저극에 접속된다.
두 클러스터가 저항 소자를 통하여 전원 전압에 접속되면, 그들의 접속점은 출력 전극에 접속되고, 또한 제1 입력 전압은 터널형 투명 간극을 통하여 제1 클러스터에 접속된 제1 제어 전극을 통하여 직접 공급되며, 제2 입력 전압은 터널형 투명 간극을 통하여 제2 클러스터에 접속되는 제2 제어 전극을 통하여 직접 공급되고, 제1 출력 전극은 터널형 투명 간극을 통하여 제2 클러스터에 접속되며, 제2 출력 전극은 터널형 투명 간극을 통하여 제1 클러스터에 접속되고, 상기 두 클러스터는 쌍안정 트리거(bistable trigger)를 형성한다.
또한, 하나 이상의 클러스터는 저항층을 통하여 전원 전압에 접속되며 하나의 공통 출력 전극에 의해서 함께 결합되는 절연 그룹을 형성하고, 하나 이상의 제어 입력 전극은 클러스터의 각 절연 그룹에 접속되고, 이것으로 각 그룹에서 복수의 클러스터가 입력 신호에 따라 무게 함수를 결정하여, 뉴런형 논리 소자 - 무게 비교 회로를 형성한다.
장치의 작동 절차는, 장치의 작동 범위가 사용된 재료의 초전도 상태에서 접합부의 임계 온도로 제한되어서 결정되며, 임계 온도는 다음 식으로 결정되고,
Tc ＜ meα3c2/2kπ,
여기서 k는 볼츠만 상수이다.
이러한 변형에 나타낸 장치의 작동 절차는, 제어 전압의 활동하에서 초전도 상태에서 정상 상태로의 전이가 클러스터에서 다음 전계 세기를 가지고 일어나고,
E ＜ me
2α5c3/2he,
여기서, h = 2πħ는 플랑크 상수이다.
상기 모든 장치에 대해 공통인 하나 이상의 이점에 주목할 필요가 있으며, 이들 모든 장치는 정상 온도에서 작동하며 단일 전자 및 전자 그룹을 가지고 작동할 수 있다.
다른 부분 사이의 갈바니 교차 결합은 집적 회로를 만드는 프로세스에서는 평범한 문제이다. 이러한 목적으로, 클러스터나 클러스터 그룹 상에서 만들어지는 장치의 크기와 같은 수로 나누어지는 크기를 가진 특별한 변환기를 생성할 필요가 있다.
반도체-금속 위상 전이를 가진 재료 또는 초전도체 또는 복수의 다른 재료로 이루어지는 도체에서, 전자는 그들의 전자로 이루어지는 체인으로서 움직인다. 같은 종류의 두 도체는 충분히 가까이 놓이며, 고리 전자의 일부가 도체의 한계 밖까지 확장하도록 적당한 도체가 제공되면, 그들의 쿨롱 필드로 인한 고리 전자의 결함을 얻을 수 있다. 따라서, 두 평행 도체에서 전자의 움직임은 동기될 수 있다. 이러한 효과는 변환기 및 유도 논리 성분을 설계하는데 사용될 수 있다.
이러한 여러 가지 양자 크기 전자 장치는 전극들을 포함하는데, 그 전극들 중 적어도 하나는 도체, 초전도체 또는 MSPT 재료로 이루어지며 교차부 크기(cross-section size)가 다음의 공식으로 결정되는 것을 특징으로 한다:
d = nd ·ro,
여기서 nd는 1 ≤nd ≤2 범위에서 결정되는 계수이다.
또한 이 장치는 특정 교차 크기의 영역에서 전극들의 그룹이, 거리가 최대 2r0를 넘지 않는 적어도 하나의 근접 영역을 가짐으로써 직류 또는 교류 변압기를 형성하는 것을 특징으로 한다.
전자들의 연결 계수(linking coefficient)는 변압기 내 도체들 사이의 거리 또는 적당한 도체들의 형태를 변경하여 그 도체들을 통과하여 주행하는 전자들의 밀도를 변화시킴으로써 변화될 수 있다. 도체 내의 전자 밀도 변화에 의한 효과는 도체 단부(ends)에서의 전위가 변화한다는 것이다. 그러므로, 이 경우에 즉각적인 정전류나 교류의 변환 또는 그 반대가 발생할 수 있다.
본 발명의 이러한 개선에 따라, 특정 교차부 크기를 갖는 영역 내의 두 전극은 거리가 2r0를 넘지 않는 적어도 두 개의 근접 영역을 가지며, 직류 또는 교류는 전극들 중 하나를 통해 흐르고 제2 전극(나머지 전극)은 부하에 연결되어 dc 또는 ac 변환기를 형성한다.
또한, 두 전극이 거리가 2r0를 넘지 않는 두 개의 근접 영역을 가지는 경우, 특정 주파수를 갖는 교류가 전극들 중 하나를 통해 흐르고, 나머지 전극은 상기 주파수에 대응하는 형상을 가지고 부하에 연결되며, 직류는 부하를 통해 흘러서 상기 장치는 ac-ac 변환기(transducer)를 형성한다.
만약, 적어도 하나의 전극이 특정 크기의 전극(테이퍼/확장(taper/ expansion))에서 전환(diversion)하는 주기적인 영역을 가지고, 거리가 2r0를 넘지 않는 두 개의 근접 영역을 가지며, 이 전극들 중 적어도 하나는 부하에 연결되면, 상기 장치는 상기 전류 형식의 변압기를 형성한다.
고온 초전도체를 30℃ 내지 최고 93.5℃의 작업 온도에서 제조하는 것은 전자 공학(electronics)과 에너지론(energetics)의 측면에서 극히 실제적인 문제이다.
실험들은 미소 크기의 클러스터들((micrometer-sized clusters) 포함하는 클러스터들로 이루어지는 특정 물질에서 고온 초전도성이 아주 흔하게 발생한다는 것을 증명한다. 압축 먼지(pressed dusts) 또는 세라믹(ceramics) 형태의 이 클러스터들은 최고 상온(normal temperatures)에서 고온 초전도성을 보인다. 그러나 이 초전도성은 매우 불안정하고 즉시 사라진다. 제안된 발명은 초전도성의 메카니즘을 설명하고 안정된 고온 초전도체를 만들 수 있도록 한다.
안정된 초전도성을 제공하기 위해서는 전자 운동(electron motion)의 교차 영역(cross-area)의 크기가 링 전자(ring electron)의 직경(2r0)보다 작지 않아야 한다. 이 경우에 초전도성을 갖는 영역의 길이는 형식적으로는 어떠한 것에 의해서도 제한되지 않는다. 그러므로 긴 도체- 나노미터 두께의 "위스터(whisker)"를 만들 수 있다. 이 도체를 외피로 둘러싸고 그 안에 코드 어셈블(cord assembles)을 결합하여 코팅함으로써 전선을 만들 수 있다. 에너지 기억장치(energy stores) 또는 큰 자계를 갖는 상 자석(constant magnets)은 이 전선을 링 또는 코일의 형태 로 만들어 제작할 수 있다.
본 발명에 따르면, 양자 크기 전자 장치는 초전도 소자를 포함한다. 이 경우에 초전도 소자는 공식 D = a r0 로 정의되는 교차 크기를 가져야 하며, 여기서 a는 a □□2로 정의되는 계수이다.
다른 개선된 초전도 물질은 직렬 체인(series chain)의 형태로 그룹에 통합되고 인가 전극들(supply electrodes)에 연결되는 하나 이상의 클러스터들 포함한다. 이 경우에 클러스터의 크기는 2r0 미만이어서는 안 된다.
또한 초전도 물질은 하나 이상의 층(layer)의 형태로 통합되고 인가 전극들에 연결되는 하나 이상의 클러스터로 구성될 수 있다. 이 경우에 클러스터의 크기는 2r0 미만이어서는 안 된다.
초전도 장치는 도너 전자 센터들(donor electron centers)을 포함하는 고분자 유기 물질로 제작할 수 있다.
또한 초전도 물질은 도너 전자 센터들을 포함하는 외피를 갖는 모세관 공동(capillary cavity)의 형태로 만들 수 있으며, 공동의 크기는 2r0 넘지 않는다.
초전도 물질은 또한 도너 전자 센터들을 포함하는 반도체의 형태로 만들 수 있다. 이 경우에 도너 전자 센터들 사이의 거리는 요구조건 d = 4r0 로부터 선택된다.
본 발명의 개선점 중에 하나는 링 또는 솔레노이드 형태로 제작될 수 있는 모든 관련된 초전도 소자에 있다.
고온 초전도체들의 동작 프로세스 또는 동작 조건은 다음과 같다. 전선들과 장치들의 그 원리(basis)에 따른 작업 범위는 사용되는 물질이 초전도 상태로 전이하는 임계 온도에 의해 제한된다. 임계 온도는 다음 공식에 의해 결정된다
Te < meα3c2/(2kπ),
다른 동작 조건은 적어도 하나의 클러스터 또는 도체를 통과하는 전류의 전달이 일반적으로 아래의 전류 밀도 에 의해 제한되는 데 있다
j < 4πemeα8c4/h3,
추가적인 동작 조건은 장치의 동작 범위가 사용되는 물질이 초전도 상태로 전이하는 임계 자계에 의해 제한되는 데 있다. 상기 온도는 공식 에 의해 결정된다
Be < (me/e)[me(α2c)2ħ.
이상에서 설명된 모든 장치는 도면을 참조하여 설명되는 이하의 예들에 의해 이하에 도시된다.
도 1은 구형의 논리 셀을 나타내는 도면이다.
도 2는 구형 논리 셀에서 쌍을 이루는 링 전자들의 스핀 형상을 나타내는 도면이다(화살표는 링 전류의 방향을 나타냄).
도 3은 실린더형 논리 셀(cylinder logic cell)을 나타내는 도면이다.
도 4는 실린더형 논리 셀에서 쌍을 이루는 링 전자들의 스핀 형상을 나타내는 도면이다.
도 5는 MSPT를 갖는 물질을 주성분으로 한 실린더형 논리 셀을 나타내는 도면이다.
도 6은 MSPT를 갖는 물질을 주성분으로 한 실린더형 논리 셀에서 쌍을 이루는 링 전자들의 스핀 형상을 나타내는 도면이다.
도 7은 MSPT를 갖는 물질을 주성분으로 한 실린더형 논리 셀에 대한 전류-전계 강도 그래프이다.
도 8은 초전도체를 주성분으로 하는 실린더형 논리 셀을 나타내는 도면이다.
도 9는 초전도체를 주성분으로 하는 실린더형 논리 셀에서 쌍을 이루는 링 전자들의 스핀 형상을 나타내는 도면이다.
도 10은 반도체를 주성분으로 하는 실린더형 논리 셀의 전류-전압 그래프이다.
도 11은 구형 논리 셀의 실험적인 전류-전압 그래프이다.
도 12는 반도체로 형성된 논리 셀 그룹의 실험적인 전류-전압 그래프이다.
도 13은 TiOx를 주성분으로 하는 박막 논리 셀의 전류-전압 그래프이다.
도 14는 구형 클러스터들을 주성분으로 하는 다층 논리 셀의 디자인을 나타내는 도면이다.
도 15는 실린더형 클러스터 그룹을 주성분으로 하는 다층 논리 셀의 디자인을 나타내는 도면이다.
도 16은 휘발성 메모리 매트릭스를 나타내는 도면이다.
도 17은 비휘발성 메모리 매트릭스를 나타내는 도면이다.
도 18은 접촉 클러스터들의 그룹에 대한 저항성 전극들을 제어하는 여러 가지 연결을 나타내는 도면이다.
도 19는 부가 클러스터 층을 통해 접촉 클러스터들의 그룹에 대한 저항성 전극들을 제어하는 여러 가지 연결을 나타내는 도면이다.
도 20은 "OR" 그룹 논리 셀을 나타내는 도면이다.
도 21은 출력에서 분기를 갖는 "OR" 그룹 논리 셀을 나타내는 도면이다.
도 22는 고전력 출력을 갖는 "OR" 그룹 논리 셀을 나타내는 도면이다.
도 23은 소정의 신호 방향을 갖는 논리 셀의 여러 가지 통합을 나타내는 도면이다.
도 24는 소정 방향의 신호 전달과 분기를 갖는 논리 셀의 여러 가지 통합을 나타내는 도면이다.
도 25는 시프트 레지스터를 나타내는 도면이다.
도 26은 "NOT" 비휘발성 논리 소자를 나타내는 도면이다.
도 27은 "NOT" 휘발성 논리 소자를 나타내는 도면이다.
도 28은 비휘발성 트리거를 나타내는 도면이다.
도 29는 아날로그 신호 비교기를 나타내는 도면이다.
도 30은 표준 전압원을 나타내는 도면이다.
도 31은 신경 논리 소자를 나타내는 도면이다.
도 32는 신경 논리 소자의 가중 합산기(weight summator)를 나타내는 도면이다.
도 33은 금속 반도체 위상 전이를 갖는 재료를 주성분으로 하는 신경 논리 소자의 휘발성 가중 합산기를 나타내는 도면이다.
도 34는 전류 변환기(current transformer)를 나타내는 도면이다.
도 35는 컨버터(converter)를 나타내는 도면이다.
공진 전자 장치(Resonant electronic devices)
원리적으로, 반경 r0 와 유효 품질 팩터 1/α을 갖는 링 웨이브(ring wave)용 임의의 공진기(resonator)일 수 있는 임의의 인위적인 결함을 설계하는 것이 가능하다.
도 1은 구형 로직 셀을 나타낸다. (1)은 클러스터 핵(cluster nucleus)이고; (2)는 터널 투명 엔클로저(enclosure)이고; (3),(4)는 공급 전극이고; (5),(6)은 제어 전극이다. 실제로, 핵은 임의의 재질-금속, 반도체, 초전도체, MSPT를 갖는 재질, 고분자 유기 혼합물 또는 단순한 빈 케이브(empty cave)-기포로 제작될 수 있다. 중요한 것은 핵 반경이 r0의 약수라는 것이다. 상기 클러스터 엔클로저는 임의의 유전체 또는 반도체로 제조될 수 있고 단층 또는 다층 구조를 가지고 있다. 상기 외피의 두께는 r0를 초과하지 않는다. 상기 클러스터는 공급 전극(3,4)과 제어 전극(5,6)에 접속될 수 있다. 이와 함께, 여러 가지 스핀 형상으로 하나 또는 두 개의 전자가 핵에 존재할 수 있다. 도 2는 구형 로직 셀에서 한쌍의 링 전자의 스핀 형상을 나타낸다. 상기 화살 방향은 링 전류의 방향을 나타낸다.
도 1의 셀을 일예로 하여, 아래에서 고려되는 다른 전자 양자 크기 장치에 또한 적용될 수 있고, 최적의 설계 특징을 결정하는 하는 것이 가능하다.
링 전자의 열역학 안정은 α2c에서 고속으로 움직이는 이격 링 질량의 운동 방정식에서 발견된다. 이 경우 m* = me/α로 유효 전자 질량을 취할 수 있으며, 그때 링 전자의 존재가 가능한 임계 온도가 다음과 같이 표현될 수 있다:
Te = me(α2c)2/(2kα) = 1151.86K (878.71℃) (7)
임의 재질의 제1 및 제2차의 상 변화의 온도가 임계 온도, 예를 들면, 반도체-금속 상변화의 상한치 [16,p.4]: MoTe2, T ≒ 1053K (780℃); NbO2, T ≒ 1070K (797℃); FeSi2, T ≒ 1123K (850℃) 등에 대응하는 것을 특징으로 한다. 하나의 예외가 단지 ZrO2, T = 1273 ÷1443K, (1000 ÷1170℃)이며, 아마 결정 격자의 두 변형의 존재 때문이다. 제2차 상 변화의 상한치는 이 온도, 예를 들면, 상자성 상태의 강자성체, 자기 혼란(magnetic disorder) 상태의 반 강자성체에 근접하다.
셀의 활동 특성을 결정하자. 상기 식(5)와 (6)은 두 개의 링이 거리 ≤
에서 접근할 때 최대 에너지를 갖는 한쌍을 생성할 수 있다는 것을 나타낸다:
W1 ≤(8/27)e2/(4πεoro) (8)
공통 중심을 갖는 두 개의 링의 가로 직교 오브랩에서 최대 에너지는 다음과 같다:
W2 = (1/4)e2/(4πεoro) (9)
결합 에너지 W1은 상변화 온도 T1 = W1/k = 8/27Te = 341.3K (68.3℃)에 대응한다. 이 크기는 VO2, Tn = 340K (67℃)에서 상변화의 약간 스미어 중심(smeared centre)의 실험 온도에 완전히 대응한다. 결합 에너지는 V2O3 시스템에 양호한 특성을 나타낸다. 상기 상변화의 개시 온도는 T2 = 1/8 Te = 144K (-129℃) (T = 145K (-128℃) [16] 실험 동안)일 것이다. 결합 전자 쌍의 에너지 상태는 단지 다수의 유리수 - n = n1/n2, 여기서, n1, n2- 는 자연 정수와 n2 ≠0 인 변화를 받게 될 것이다. 마그넬리 시리즈(Magneli series) VnO2n-1 = V2O3 + (n-2)VO
2를 형성하는 바나디움 산화물용 설비를 갖는 전자 링 사이의 다양한 거리를 변화함으로서, 시리즈의 금속-반도체 상변화의 모든 온도를 고 정밀도로 결정하는 것이 가능하다.
유사하게 임의 재질용 금속-반도체 상 접합부의 온도가 이론적으로 결정될 수 있다.
금속-반도체 상 변화의 이론과 실험 데이터인 것과 같이, 링 전자는 그 자기 운동-스핀의 여러 공간 형상에서 방울로 응축될 것이다. 원자에서 결합 전자쌍들과 달리, 단지 4개의 스핀 상태를 갖는다: ↑↑, ↓↓, ↑↓, ↓↑, 링 전자는 부가 상태를 가질 수 있다: ↑→, ↑←, ↑/ 등. 또한, 이런 상태에서 링은 더 작은 반경( 도 2a)을 갖는 링 또는 직접 타원(도 2b)으로 분리 압축을 허용한다. 두 개의 링형 전자의 최대 압축에서, 그 스핀들은 ↑, ↓, ↓, ↑로 향할 것이고 링들은 타원을 반축 
의 최대 크기로 변형해야 한다. 그러므로, 클러스터 핵의 최대 크기는 다음과 같이 될 것이다: 
이와 함께 전자의 형상은 직교 교차 타원 형상을 가질 것이고, 게다가 상기 타원들중의 하나는 제2 타원의 초점을 통과한다 (도 2b). 전자들을 타원으로 압축하지 않고서 함께 결합할 수 있으며, 그 때문에 핵 d = 2r0을 얻을 수 있다 (도 2c).
물론, ↑→에서 한쌍의 링들의 최대 크기가 그들 동축 교차 d = 3r0 일 것이고, 링들의 표면을 통한 결합에서 - d= 4r0 일 것이다. 엔클로저에 두께 r0를 추가함에 최대 셀 크기 5r0 = 36.26nm을 얻을 것이다.
그러면 최소 셀 크기에 대한 조건을 결정하자. 기판상에 위치한 셀의 조건을 적어도 실온에서 가열되게 한다.
차수(order) 2-10nm의 크기에서도, 클러스터의 상과 구조 변화는 대부분 재질과 다르게 시작될 것이라는 것이 [1,p.20]에 나타난다. 더 작은 크기에서 입자의 용융 온도는 낮아지고 그 결정 구조도 마찬가지로 변한다. 동시에 기판 표면위의 클러스터의 이동성과 대부분의 기판 재질로 클러스터 재질의 확산 계수를 증가시킬 수 있다. 열역학 부적합 즉, 높은 작동 온도에서 클러스터 융합을 줄이기 위하여; 클러스터 재질의 상변화의 에너지 또는 클러스터에서 원자 결합 에너지가 5kJ/mol 이상 되어야 한다.
클러스터의 최소 크기를 제한하는 다른 기준은 2,3,4 이상의 팩터에 의하여 전자 링의 압축 조건으로부터 발견될 수 있다. 즉, 드브로이 파장 함수가 제2 및 더 높은 모드, 즉 고조파를 가질 것이다. 그때, r0* = r0/n, 그리고 n=2에서 링 직경은 7.25nm로 감소될 것이다. 그러나 상기에서 나타난 바와 같이 전극<8 nm 사이의 거리를 감소할 때 단락 <<터널>> 전류가 나타난다. 따라서 클러스터 크기를 7.25 nm 보다 작게 감소할 때, 그리고 제어 전극과 공급 전극 사이의 거리를 7.25 nm 보다 작게 감소할 때 물리 감각이 없다
그러므로, 7.25 nm의 크기가 미소전자(nanoelectronic)의 기본제한이다.
상기에서 언급한 내용을 고려하여, 기본적인 로직 셀용 작동 치수를 다음 범위 내로 선택하자: 7.25 nm ≤d ≤36.26 nm
중심 대칭 형상에 비해서, 공진 특징을 또한 가지고 링 전자를 형성할 클러스터의 선대칭 형상을 설계할 수 있다.
도 3은 로직셀- 실린더 로직 셀의 평면 변형을 나타내며, 여기서 7은 클러스터-핵이고; 8은 터널-투명 엔클로저; 9,10은 공급 전극이고; 11은 제어 전극이다.
여기서 핵- 공진기의 기능은 유전체 또는 넓은 간격 반도체에 직접 조립된 실린더형 채널(7), 및 엔클로저(8)로서 기능을 수행한다. 또한, 상기 채널은 임의의 금속, 반도체, 초전도체, 및 고분자 화합물, MSPT 또는 부분적으로 잔류 가스가 채워진 재질로 채워질 수 있다. 상기 재질은 열적 그리고 화학적 저항, 즉.,화학적으로 가공 처리된다. 게다가, 상기 재질은 핵 주위에 운동중 하나 또는 두개의 링 전자로 흩어지는 부가적인 결함을 형성하지 않아야 한다. 선형 셀에 대한 치수 요구는 중심 대칭 셀의 치수와 약간 다르다. 셀 핵의 최소 직경은 2r0 이고, 최대 직경은 4r0을 초과하지 않아야 한다. 그러한 셀들은 r0 보다 더 커지 않은 최대 크기를 갖는 터널-투명 간격(gap)을 통하여 서로 접촉할 수 있고 축과 평형하거나 축을 따라서 연장하는 주기적인 구조체를 형성할 수 있다.
선형 형상은 도 2에 도시된 바와 같은 타입의 전자의 직교-스핀(OS) 페어링(pairing)이나 평행 페어링 및 형성 체인을 가질 수 있다. 도 4는 실린더 로직 셀에서 페어링 링 전자의 스핀 형상을 도시한다.
구성 재질에 대한 일반적인 조건은 아래에서 규정된다.
과도 금속(transient metals)의 화합물은 가변 원자가를 가진다는 것은 상식이다. 스태치오메트리(stechiometry)로부터 파생된 Ti, V, Nb, Mo, W 와 같은 고 산화물, 예를 들면 산소 부족시, 그때 오히려 결함이 새로운 동족 관계의 마그넬리 시리즈를 형성한다: MnO2n-1, MnO3n-1, MnO3n-1, 여기서 n=1,2,3, 등[16,p.48]. 또한, 상기 금속은 실온 보다 더 높은 온도에서 MSPT를 갖는, 화합물을 형성한다. 예를 들 면, NbO2, Tk = 1070K (797℃); V3O5, Tk = 450K (177℃); Ti2O3, Tk = 600K (327℃); Ti3O5, Tk = 448K (175℃); ZrO2, Tk = 1273K (1000℃). 그러므로, 상기 재질은 엔클로저를 설계할 때 매우 유리하다. 또한 핵을 설계하기 위하여, 고온의 금속-반도체 접합부를 갖는, 다른 재질을 사용하는 것이 가능하다: MoTe2, Tk = 1053K (780℃); FeSi2, Tk = 1123K (850℃).
병렬-스핀 전자 장치
다수의 실시예에서 적절한 물질의 특징을 직접 사용하여 링 전자를 형성시키는 모조 클러스터가 형성되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들면, 링 전자는 MSPT를 가진 물질에 자동적으로 나타난다. 이 물질을 기본으로 하는 초보 논리 셀이 도 5에 도시되어 있다. 이 셀에는 MSPT를 가진 물질(12) 채널이 핵으로 기능하고, 도면 부호(13)는 터널-투명 간극이고, 도면 부호(14, 15)는 공급 전극이고, 도면 부호(16)는 제어 전극이다. 이 핵-채널의 반경은 r0 ~ 4r0 범위 이내이다. 전술한 경우와 마찬가지로 전극 사이의 거리는 r0 이상이어야 한다. 이러한 유형의 셀의 독특한 특징은 공급 전극 사이에 터널-투명 간극이 부족하다는 것이다. 이러한 매체는 정보를 기억할 수 없다. 그러나 축을 따르는 채널의 치수가 여러 응용, 예를 들면 복잡한 형태의 집적 회로에 어떤 치수가 유용한 가의 여부를 제한하지는 않는다.
신장된 축대칭 셀의 경우, 링 전자는 쌍 및 ↑↑↑↑↑↑... 유형의 체인 양 자 모두를 형성할 수 있다, 도 6은 MSPT를 가진 물질을 기본으로 하는 실린더 논리 셀의 쌍으로 된 링 전자의 스핀 구성을 나타낸다. 화살표는 링 전류를 표시한다.
이러한 유형의 링 전자 응축물을 '병렬-스핀 응축물'(PS)이라고 한다. 이 체인에서 각기 다른 링 전자 사이의 거리는 r0/√2 를 초과하지 않는다. 체인은 공급 전극(14, 15) 사이에 전하를 이송한다(도 5 참조). 전류는 터널-투명 절연 엔클로우저(13)를 통해 핵-채널에 연결된 제어 전극(16)에 의하여 제어된다. 실제로, 이런 구조는 밀착 전극을 가진 전계 트랜지스터와 유사한 양자 크기이다.
실험 도중에 이러한 링 전자 체인이 박막의 전계 관통 현상에 전류 섬유질의 미소한 경로 형태로 관찰되었다. 관통으로 인하여 S자 형상의 볼트-암페어 도표가 형성되고 다수의 기술적 응용[16, 15]을 갖는다. 그러나, 본 명세서에 기재된 종래 기술에서 열역학적 불안정에 따른 S자 형상의 특징을 형성하는 메커니즘은 금속-반도체 및 반도체-금속의 온도 전이의 격자 스트레인으로 인하여 이력 현상 루프에 나타난다. 그러나 이 설명으로는 적절한 필라멘트 경로에서 실험적으로 측정된, 상 변화 물질의 온도보다 낮은 소정의 저온에 대하여 설명할 수 없다. 본 발명에 따른 모델의 경우 필라멘트 경로의 온도는 조건 Te/n으로부터 결정되고, 여기서 n은 상기 경로를 형성하는 링 전자의 개수이다. 따라서, 필라멘트 경로를 형성하는 링 전자이 많으면 많을수록 그 유효 온도는 더 낮다.
공지된 기술 응용에 있어서, MSPT를 가진 필름 상에 일반적으로 과로가 발생 되므로 필라멘트 경로의 온도는 당연히 물질의 상 변이 온도보다 더 높게 상승한다. 또한, 이로써 물질이 과열되어 온도 완화로 인한 장치의 전환 시간을 증가시킨다.
따라서, 전류 미소 경로, 중요한 매개면수 및 동작 조건을 형성하는 특성을 고려하여, 임의로 온도가 완화되지 않고 재결정이 존재하지 않음으로 인한 높은 신뢰성 및 물질의 온도 명세를 갖는 속도 장치를 설계할 수 있다.
도 7은 MSPT를 가진 물질을 기초로 하는 실린더 논리 셀에 대한 표준 전류/전계 강도 비율의 그래프이다. 전류값 및 전계 강도의 비율이 종래의 단위로 도시되어 있다. E1은 임계 강도이고, U1＜U2＜U3는 제어 전극(16)의 전압이다(도 5 참조). 전계 임계값 E1을 지나간 후에만 전류가 채널을 통과할 수 있다. 채널이 ≪breakdown≫후, 채널 전류는 도표에 상이한 값 U의 특징 군으로 나타내어진 전극(16)에 의하여 제어된다. 장치가 MSPT보다 높은 온도로 동작하는 경우, 채널 물질은 금석 상이고 E1은 0에 근접한다. 그러나 여기에서 금속 상은 일반적인 금속은 아니며 링 전자의 독특한 구조로 인하여 제어 전극(16)의 전계를 스크린하지 않는다. 따라서, 이 경우 채널을 통과하는 전류를 효과적으로 제어할 수 있다.
병렬이 아닌-스핀 전자 장치
한정된 조건 및 소정 물질로 링 전자은 ↑↓↑↓↑↓유형의 대향하는 스핀을 가진 체인으로 쌍을 이룰 수 있다. 또한 이 상태를 병렬이 아닌-스핀 상태(APS)라고 한다. 이 상에서 초유동체 양자 액체를 형성하는 모든 주요 조건 및 충분 조건은 일치되고, (전류 및 전계의) 전극 펄스는 반대쪽으로 향하고 체인 전체가 스페이스-간섭 주기 기능을 형성한다. 이 경우 쌍으로 된 전자는 광에 근접한 속도의 전자계로 인하여 상호 작용한다는 점에 특히 유의해야 한다. 이력 현상 특징을 가진 논리 셀은 이러한 물질 상에 형성될 수 있다. 도 8은 초전도체를 기초로 하는 실린더 논리 셀를 도시하는 도면으로서, 도면 부호(17)는 초전도체를 기초로 하는 클러스터이고 도면 부호(18)는 터널-투명층이고 도면 부호(19, 20)는 공급 전극이며 도면 부호(21)는 제어 전극이다.
도 9는 초전도체를 기초로 하는 실린더 논리 셀 내의 쌍으로 된 링 전자의 스핀 구성도이다. 화살표는 링 전류의 방향을 나타낸다.
도 10은 초전도체를 기초로 하는 실린더 논리 셀의 전압-전류 특징을 나타내는 도면이다. 전류 스케일은 종래의 단위로 나타낸다. I1-은 초전도체의 전류이고 U1-는 임계 전압이다.
특히 이 셀은 MSPT를 가진 물질로 만들어진 셀 구조이다. 이 구조에는 공급 전극 사이에 터널-투명층이 없고, 셀은 두께가 r0 이상되지 않는 터널-투명층(18)(도 8 참조)를 통해 제어된다. 채널(17) 물질이 초전도 상이지만, 제어 전극(21)을 가진 전계는 독특한 구조의 쌍으로 된 링 전자으로 인하여 이 물질을 관통한다. 이 전계를 사용하는 경우, 초전도체의 전류를 제어, 예를 들면 초전도성 전계 트랜지스터와 유사한 소정의 양자 크기를 얻을 수 있다. 셀은 전류 소스에 의하여 공급되어야 한다. 셀의 전압 강하는 0이다. 위험 전류 I1(포인트 A)에 도달할 때, 셀 상태는 초전도성 상태로부터 저항 상태로 변한다. 추가의 전압 게인에서 특징은 저항 상태를 유지한다. 이력 현상 루프의 추가 전압 손실로 원위치로 복귀한다. 도시된 이력 현상 루프에서와 같이, 제어 전극에 의하여 추가로 전류를 제어하는 기능을 하지만, 예를 들면 얇은 초전도성 필라멘트[14]를 기초로하는 크라이오기술에 광범위하게 사용되는 초전도성 장치의 전압-암페어 도표에 완전하게 대응한다.
초전도성 장치를 기초로 하는 다수의 논리 소자를 [14]에서 알 수 있다. 이들은 저온으로 동작하기 때문에 여기에서는 중요하지 않다. 추측으로는 장치를 정상 온도에 이르게 함으로써 이러한 유형의 다른 실시예를 제공할 수 있다.
현재 초전도체는 중요한 기술이다. 모든 공지된 초전도성 모델은 1980년대에는 고온의 초전도체를 발견하리라고는 예상할 수 없었다. 상기와 같이 발견한 후로는 새로운 초전도성 모델을 설계하려는 시도에 상당한 노력을 해 왔지만, 아직 적당한 모델은 찾아내지 못했다. 이들 모델이 옳지 않은데 대하여 더 생각해 보기로 한다.
오늘날의 초전도성 이론, 예를 들면 Bardeen-Cooper-Schrieffer 이론은 멀리 떨어진 쌍의 음향 양자 작용을 기초로 한다. 그러나 이들 이론은 음향 양자에 의한 전자의 상호 작용은 속도가 영구적인 것으로 가정한다. [13, p.287], 즉 해밀턴 기능에는 지체된 배율기가 없다. 따라서 초전도성 상의 전자 속도를 결정할 수 없다. 상호 작용의 속도가 제한되지 않으므로 에너지 보존 법률을 위반하게 된다.
에너지 보존 법률을 위반한다는 점은 이론이 모순된다는 점을 나타내는 것이 명백하다. 따라서, 이론에 따라 물질의 임의의 매개 변수 및 그들의 동작 조건을 예상할 수 없다.
본 발명의 경우 전자 이동 속도는 값 α2c 으로 제한되고, 이로써 에너지 보존 법률에 부합된다.
전자 스핀을 선회시키면 시스템의 에너지가 변한다. APS-상의 결합 에너지는 PS-상의 링 전자의 결합 에너지보다 1/2πn 크기만큼 더 낮다. 쌍의 전하가 2e라고 고려하면, 위험한 온도는 공식 Tc = 2Te/2πn에 따라 (7)로부터 알 수 있다. 최종적으로 위험한 고온 초전도체를 찾기 위한 다음 최종 공식을 얻는다:
Tc = me(α2c)2/(2kαπn) (10)
실험 및 식에서 임의로 및 실험적으로 정정된 인수가 이론으로부터 얻은 예상된 계산의 신뢰도 범위의 기준이다. 식(10)은 단지 기본적인 물리 정수로 구성되고, 이에 따른 계산은 기준 실험 데이터와 일치되고, 이로써 제안된 모델의 높은 신뢰성를 나타낸다. 결정 그리드의 이온 질량은 식(10)에는 없고, 이것은 고온 초전도체용의 그리드와 상호 작용을 위한 음향 양자 메커니즘이 없다는 점을 나타낸다.
고온 초전도체에 접근가능한 최대 온도는 n=1이며 Tc1=366.65K (93.5℃)를 형성한다. 이 온도는, 예를 들면 xCuBr.CuBr2를 기초로 하는 분말로 된 초전도체에 합치되고-이 실험에서 대략 365K(92℃) 온도를 제공한다[31]. Y-Ba-Cu-O 조성을 기초로 하는 마이크론 파우더는 대략 300K(27℃)[32]의 온도를 갖는다. 상기 분류의 여러 가지 파우더 물질에서 유사한 결과를 얻었다[33]. 폴리프로필렌 신화막 표면의 마이크론 영역은 대략 300K(27℃)의 온도를 갖는다[34].
온도 n=2, Tc2=183.2K(-89.95℃)는 7/1에 대하여 시스템 C60/Cu를 기초로 하는 파우더에 대응한다(실험에서 대략 185K(-88℃)의 스미어 전이에서의 중심 온도를 제공한다[35].
온도 n=4, Tc4=91.66K(-181.49℃)는 현존하는 YBa2Cu3O7 유형의 고온 초전도체에서 발견된 대부분에 대응한다. 이러한 세라믹 단결정 샘플에 대하여 여러 사람의 저자는 실험 온도가 91.6K(-181.55℃)[36])인 것으로 저술하고 있다.
온도 n=16, Tc16=22.92K(-250.23℃)는 Nb2Ge 필름의 온도 200nm Tc=23.2± 0.2K(-250.15℃)[37,p267]에 일치된다.
온도 n=32, Tc32=11.46K(-261.69℃)는 제2 순서의 Y2C3, NbC, Nb3
Au 유형 등의 다수의 저온 초전도체와 일치된다[37]. 특히 전술한 초전도체 모두는 하나의 공통된 특징을 가지며, 즉 이들은 링 전자 상에 배열된 제2 순서의 초전도체이다.
따라서, 인용된 데이터는 링 전자의 존재를 최적으로 증명하는 것이다.
격자로 결합된 단일 물질 전자를 기초로 하는 제1 순서의 저온 초전도체는 전술한 초전도체와 상이하다. 그러나, 이들은 양자 크기의 장치용으로는 실질적으로 중요하지 않다. 이러한 상호 작용의 독특한 특징은 다른 인쇄물에 기재되어 있다.
단지 온도 Tc1에서 초전도성인 물질이 미소한 전자 장치를 설계하는데 실질적로 중요하다. 이러한 물질을 찾아 낸다는 것은 파워 엔지니어링 용도에도 또한 특히 중요하다. 따라서 본 명세서는 이러한 물질의 제조 기술에 대한 노하우는 기재되어 있지 않다. 그러나 미소한 크기의 장치는 물론 공급 및 제어 전극을 찾는다는 것이 고온 초전도성을 가진 전술한 분말 물질을 기초로 하여 실질적으로 가능하다.
이러한 유형의 고온 초전도성 물질을 다량으로 성장시키는 프로세스의 발전은 에너지 용도에서도 특히 중요한 가치를 갖는다.
논리 셀 성능의 선택
링 전자의 모델이 OS-, PS- 및 APS-전자 장치를 설명한다. 따라서 성능 분석은 그러한 모든 셀에 대하여 유사하다. 결합 상태(bound state)로부터 링 전자를 형성하는 에너지, 즉 전극으로부터의 전자 천이에 필요한 에너지 및 핵 영역으로 흐르는 전류는 하기 식에 의해 결정될 것이다:
αeU e = m e (α2c)2/2 = 1,16 10
-22J (11)
이것은 Ue = 0.09928 V에 상응한다. OS-위상의 전자 쌍에서 상기 에너지는 2Ue = 0.19856 V에 일치할 것이다. APS-위상에서의 전자가 π만큼 서로 바뀌므로, 초전도 셀에서의 문턱 전압은 Ul = Ue/π = 0.0316 V가 된다. 이 전압은 임의의 초전도체에서의 전자 결합의 문턱 에너지 ≤31.6 meV에 일치한다. 이것은 얻어진 실 험 데이터, 예를 들면, 약 30 meV인 YBa2Cu3O7 초전도체의 전자 결합 에너지에 관한 데이터에 의해 뒷받침된다[38]. 공간이 분리됨에 따라 APS-위상에서의 전자쌍의 결합 에너지는 한정된 이산 에너지 레벨(discrete energy level) n, 즉 Ul/n에 일치할 것이다. 예를 들면 최선의 NbN/MgO/NbN 초전도체 소자는 5.3 mV의 문턱 전압(에너지 간극 밴드의 값)을 갖는다[39]. 본 발명자의 경우에 이것은 n=6, 즉 31.6 mV/6 = 5.266 mV에 상응한다.
전자 링의 회전 주파수:
fe = α2c/2πr0 = me(α2c)2/h = 3.5037 1011 Hz. (12)
OS- 및 PS-위상 발생기의 최대 가능 주파수가 이 주파수에 상응할 것인가?
외부 필드의 공급시 핵 셀의 전자에 의한 출발 시간은 그것의 1 회전, 즉 τe = 1/fe와 같을 것이고, 따라서 하나의 요소를 통과하는 최대 전류는 다음과 같다:
Ie = efe = eme(α2c)2/h = 5.6 10-8 A. (13)
클러스터의 평균 반경이 약 2r0임을 고려하여, 본 발명자는 밀집 패킹된 셀 표면의 1㎠에서의 전류 밀도가 다음과 같은 것을 발견한다:
je = Ie/(πro
2) = 4πeme
3α8
c4/h3 = 3.4 104 A/㎠. (14)
다른 상태로 스위칭할 수 있는 셀 필드 강도에 요구되는 최대치는:
Ee = Ue/ro = me
2α5c3/2eh
= 1.37 105 V/cm. (15)
셀의 고유저항은 다음과 같고:
Re = Ue/Ie = h/2e2α = 1.768 106 Ω (16)
이것은 조셉슨 저항보다 137.036 만큼 높은 값이다. 그러한 링 전류의 임계 자계는:
Be = meωe/e = (me/e)[me(α2c)2
/h] = 12.5 T. (17)
자속은 다음과 동일하고;
Φe = πr0
2Be = h/2e =Φ0 = 2.0678 10-15
Wb (18)
이것은 자속의 양에 정확히 일치한다.
인용된 표현은 응집 물질에서 임계점(단일 행태) 내의 제1차 및 제2차 위상 변화를 기술한다. 앞에서 인용한 표현은 그것들이 공통 상수만으로 이루어짐을 나타내며, 임의의 고체상 물질로 만들어지는 임의의 고온 전자의 양자 크기 장치가 갖는 최대 허용 가능한 특징을 결정한다.
고온의 초전도체로 이루어지는 선대칭 논리 셀(axissymmetric logic cell)은 크게 신장된 도체로 제시될 수 있다. 이러한 종류의 초전도체는 대용량 전달(transmitting) 및 대용량 축적이나 솔레노이드 설계용 폐쇄 형태로 사용될 수 있다.
에너지학에 사용되는 고온 물질의 기본적 요구 조건은 나노일렉트로닉스에 사용되는 요구 조건과는 다르다. 이는 무엇보다도, 높은 작동 온도, 높은 임계 전류와 자계, 제조 용이성, 저비용 및 활용성 등이다. 이러한 가준은 탄소, 규소, 금속 산화물과 찰코게나이드(chalcogenide), 고분자 화합물, 섬유 등으로 이루어지는 무정형 및 다결정 반도체를 기재로한 물질에 합치된다. 제한적인 임계 온도 93.5℃를 얻기 위해(식 (10)), 도체의 크기(전자 운동의 면적)가 링 전자의 크기인 2r0 = 14,50nm(식 (4))보다 작지 않아야 할 필요가 있다.
전자 운동의 면적은 클러스터의 체인을 나타내는 것과 상응하고; 클러스터 중심간의 간격은 4r0 ≥29.0nm 를 초과하지 않아야 한다.
기본적으로, 초전도체 물질에 관하여, 전자 운동의 면적 내의 적합한 물질은 전자가 그리드와 상호 반응하는 것이 아니고 오직 특정한 결함(defect)과 반응하기 때문에 별로 중요하지 않다. 결함을 교정하는 방식은 별개의 문제이다. 이러한 결함이 없는 물질을 사용하는 것이 간단하다.
링 전자가 확산될 수 있는 자유 전자의 양은 소정의 임계치를 초과하지 않았다는 것은 중요하다. 그것은 고분자 화합물 상의 물질을 포함하여 상기 물질이 상온에서 반도체라야 함을 의미한다. 반도체는 천연 반도체 및 유전체, 고분자 화합물, 금속 도핑된 단백질 등일 수 있다. 금속의 클러스터간의 거리 또는 링 전자의 운동 영역 내의 분리되어 있는 금속 원자들간의 거리는 2r0를 초과하지 않아야 한다. 그 거리는 클러스터들이 
범위 내에 위치할 때, 즉 링 전자가 두 개의 인접한 클러스터에 동시에 도달할 수 있을 때 최적일 것이다. 이 경우, 반도체의 대칭축에 상대적으로 클러스트를 기술적으로 분산시킴으로써 전자 운동의 영역을 깨뜨리지 않을 것이다.
초전도체 채널은 커버링에 의해 보호되어야 하고, 그러한 같은 종류의 배선이 어셈블리로 결합되어야 한다. 그와 같은 어셈블리 내의 링 전자로부터 나오는 전류선은 그것들 사이의 전자적 반응, 즉 로렌츠 힘에 기인하여 그것들끼리 반발할 것이다. 이 힘을 중화하기 위해 공지된 피닝(pinning) 메커니즘 즉 결함 상에 아브리코소프의 소용돌이(Abrikosov's vortexes)을 유지하기 위한 메커니즘을 이용할 필요가 있다. 본 발명자의 경우, 커버링의 표면은 결함으로서 작용한다.
자연적으로, 초전도 채널을 둘러싸는 영역의 두께는 그 영역이 평균 전류 밀도를 제한하기 때문에 크지 않아야 한다. 모든 소정의 요구 조건이 초전도체류에 합치될 경우, 제한된 전류 밀도, 즉 je ≤3.4·104A/㎠(식 (14)), 및 임계 자계 Be
≤12.5T(식 (17))을 수용할 수 있다.
그러한 형태의 케이블을 사용하여 3.4·108∼3.4·109W/㎠ 수준의 에너지를 전달할 수 있고, 공지의 저온 초전도체에 기초한 전자석(필드 6∼9T), 즉 자기 서스펜전 상의 매체(vehicle)용보다 훨씬 경쟁력있는 특징을 갖는 전자석을 설계할 수 있다.
앞에서 제시된 바와 같이, 응집된 매체 내 링 전자의 최대 속도는 속도 α2c를 초과하지 않는다. 바로 이 속도가 최대 사이즈의 링 전자가 존재하는 한계이 다. 틀림없이 α2c 이상 또는 응축된 물질 내의 최대 음속, 즉 
이상의 캐리어 속도를 갖는 전자 장치를 설계할 수 있다. 그러나 이 경우에 링 전자는 원자 크기로 감추어진다. 그것의 에너지는 1/α의 계수로 격자를 갖는 전자의 상호작용의 단면을 증가시키는 페르미 레벨에서의 전자 에너지로 증가한다. 이것은 자연히 소자의 과열로 유도되고 따라서 초대형 집적회로에서의 용도를 제한한다.
클러스터 신호 및 파워에 공급되는 전극의 치수 또는 물질을 변경함으로써 특수한 용도에 최적화하여 소자의 전류-전압 특성을 변경할 수 있다는 것은 중요하다. 그러나 이 경우에, 링 전자는 상대적으로 작은 크기로 압축될 수 있을 뿐이며, 이는 자연히 작동 온도의 하강을 내포할 것이다. 많은 경우에 온도의 유보는 새로운 전류-전압 측성을 얻기 위한 희생일 수 있다. 그러나, 어느 경우에나 도체 내 캐리어의 특정 농도는 충분히 높아야 하고, 그것은 조건식 ρ≤10-3 Ωcm로부터 결정될 수 있다.
이론적 데이터를 뒷받침하기 위해 두 종류의 OS-전자 셀이 설계되었다.
제1 변형 ZrO 2 . 평균 공동 반경(hollow radius)이 r0 수준이고 인클로저의 두께가 r0/2인 공동 구(hollow sphere)를 소량의 첨가 원소를 갖는 단일 층으로서 금속 기판 상에 플라즈마 퇴적시켰다. 그 결과 도 1에 나타낸 셀의 동등물을 얻었다. 반경이 r0 수준인 니들포인트를 구비한 주사터널 현미경(scanning tunnel microscope)을 사용하여 최대 직경이 3r0에 근접한 구를 선택하였다. 공동 공진기(hollow-resonator)의 최대 Q-계수(1/α와 동일)를 터널 전류의 최대 변화에 따라 결정하였다. 이 Q-계수는 직경이 2r0인 핵을 갖는 구와 상응하였다. 니들 전압을 변경함으로써 그러한 셀의 전압-전류 도표를 얻었다. 도 11은 구형 논리 셀의 실험적 전압-전류 특성을 나타내는데, 여기서 22는 저항 부하이다. 0.0V로부터 0.1V(포인트 A)까지의 전압-전류 도표의 출발 구간은 셀 인클로저 유전체의 기생(parasitic) 손실 전류에 상응한다. 이것은 현미경이 말단 습도와 정상 온도 하의 실내 환경에서 작동된 사실에 기인한다. 0.1V의 전압치를 얻은 시점에 전류는 갑자기 증가되고(포인트 B까지) 이것은 핵 주위에 링 전자가 형성된 것에 해당한다. 전압이 더욱 증가하였을 때, 링 전자가 셀을 통해 통과함에 따라 전류는 증가하였다(선분 BC). 따라서, 최대 크기로 포장 해제(unwrapping)되는 전자는 기판 금속으로부터 터널형 투명 인클로저를 통해 공동 핵 영역 속으로 일정하게 들어간다. 추가의 링 전자는 터널형 투명 인클로저를 통해 현미경 니들 내부로 흐르고, 여기서 니들 재료의 특성에 의해 결정된 크기로 새롭게 포장 해제된다. 전류의 증가는 니들에서의 전압 증가와 정비례한다. 이 경우 제어 전극은 없다.
니들에서 전압 0.2V(포인트 C)에 도달하면, 전류는 셀 인클로저를 형성하는 유전체에 의해 결정된 손실 전류의 값까지 하강한다(포인트 D). 실제로 두 개의 링 전자의 직교하는 쌍의 형성은 0.2eV의 에너지가 공유하는 포텐셜 홀을 형성하는 문턱 에너지이므로 전압 0.2V에서 일어난다. 이 파라미터에 있어서, 셀은 외부 유 지 전압 0.1V＜U＜0.2V(구간 AD) 하에 논리 메모리로서 작동할 수 있다. 이들 파라미터에서 셀은 기생 누설 전류에 의해 결정되는 에너지를 제외하고 실제로 에너지를 배출하지 않는다.
전압이 0.2V 이상 증가하면, 셀을 통과하는 전류는 전자 쌍-전자 드롭에 의해 결정되며 전압에 비례하여 더욱 낮은 기울기로 게속 증가할 것이다.
전압이 영으로 감소하면, 셀은 방전하고 작업을 재개할 준비상태로 된다.
제2 변형 감광성 매트릭스 내에서 논리 셀 작동의 가능성을 시험하기 위해 감광성 반도체 내의 셀을 설계하였다.
전이금속 원자를 n-Si 기판 속으로 특별히 주입하였다. 1018∼1020cm-3의 농도 및 소정의 어닐링 변수 하에 반경 r0에 근접한 핵 크기를 갖는 클러스터를 상기 초전도체 용액에 형성하였다. 다음에, 기판 표면을 반투명 전극으로 코팅한 후, 전압-전류 도표를 얻었다. 단일 전극의 면적은 100 ㎛2이었다; 즉, 그러한 전극은 일단의 클러스트로 중첩되었다. 측정치를 조명 없이 정상 온도에서 시험하였다.
도 12는 반도체에 형성된 1군의 논리 셀의 실험적 전압-전류 도표를 나타낸다. 여기서 0.0V로부터 0.1V까지의 구간에서 이 복합체 물질을 통해 전류가 흐르고, 이것은 적합한 기판 반도체-Si의 전류에 의해 결정된다. 전압이 0.1V에 도달하면(포인트 A), 클러스터 구역에 링 전자를 형성하는 조건이 나타난다. 그것의 유효 질량이 증가함으로써 전압-전류 도표의 기울기가 감소된다(구간 AB). 전압이 0.2V에 도달하면(포인트 B), 급격한 전류 기울기를 초래하는 전자 쌍 형성의 조건 이 나타난다(선분 BC). 전압이 추가로 감소하여 약 0.11V에 도달하면(선분 CD), 전류는 거의 일정한 상태를 유지한다. 그러나 전압이 다시 증가하면, 전류는 증가하지만 이 때의 기울기는 상대적으로 작다(선분 DF). 그 결과 전압-전류 도표에 페쇄 윤곽, 다시 말하면 히스테리시스 루프(hydteresis loop)가 형성된다. 이들 루프의 특성은 적합한 Si 기판에서 정상 온도 하에 자유 캐리어의 높은 농도 때문에 도 11에서의 히스테리시스 루프와 다르다.
전압을 적절히 조절함으로써 상기 셀은 기판 물질로부터 기억된 광 캐리어(photocarrier)를 판독하는 전류 또는 전하 스위치로서 기능할 수 있다.
도핑제의 다른 농도에서, 상기 전압-전류 도표는 N-자 형태로 변환될 수 있으며, 이것은 터널 다이오드에 대한 특징(도 12의 쇄선 23 및 24) 또는 선분으로 완전히 퇴화된다.
종래 유사형(analogues)과 비교
위에서 언급한 해석과 실험 데이터의 타당성은 통상적인 터널 다이오드에 대한 공지된 독자적인 실험 데이터에 의해 또한 증명된다.
p-n 접합 반도체 터널 다이오드를 위해서, 도핑제 클러스터에 링 전자(ring electron)를 형성하는 공정은 피크 전압 시점에서 시작한다고 가정하자. 이 경우에, 2e, 3e, 4e에 따라서 드롭이나 필라멘트로 응집될 가능성 있다. 러시아에서 제조된 다양한 종류의 통상적인 다이오드에 대한 임계 정격 전압은 다음에 도시한 것으로 알려져 있다. 게르마늄 다이오드용으로는 -1И104E - Un ≤100㎷이고, 갈륨-비소 다이오드(gallium-arsenide diode)용으로는 -3И201A - Un ≤200㎷, 3И201K - Un ≤330㎷이다. 이런 데이터는 Un = nUe = 99.3㎷; 198.6nV; 298.0㎷(n은 1, 2, 3)에 대응한다.
링 전자에 형성된 드롭은 전자 질량(electron mass)인 mn
* = nme/α을 증가시키고, 그래서 전류는 다음의 등비 수열법(geometric progression law)(b＜1일 때)에 따라 감소한다.
게르마늄 다이오드에 대해서는 드롭 크기가 4e일 때 그리고 갈륨-비소 다이오드에 대해서는 드롭 크기가 6e일 때 드롭의 소멸(decay)이 시작된다. 드롭의 증발은 전자 필라멘트의 길이가 2r0 이하의 크기로 p-n 접합의 수축(constriction)에 따라 발생한다. 그래서, b ＞ 1일 때, 폴링 브랜치(falling branch)는 증가하는 쪽으로 변환된다.
p-n 접합의 간격(벌크)을 따라 클러스터의 통계적 분포를 통해서 상온에서 전류의 양자 스텝은 정리된다. 이것은 상기 결과를 갖는 터널-웨이브(tunnel-wave)를 기재하기 위하여 통상적으로 이용되는 실험 함수에 의해 기재될 수 있다. 전자의 일부가 드롭으로 응집되지 않다는고 가정할 경우, 이들 전자의 일부에 의해 발생된 전류의 일부는 전압-전류 도면(도 12에서 빗금친 영역)의 고랑(trough)에서 초과 전류를 결정한다 [13].
식 (12)의 타당성은 어떠한 터널 다이오드를 위한 한계 정격 생성 주파수(limiting rated generation frequeny)도 f ≤40GHz(1И104E) 이상이 아니라는 사실을 지지한다. 이것은 식 (12)로 계산된 데이터에 대응하고, 생성 주파수는 fe ≤ 350GHz이다. 이런 작동 주파수는 펄스 모드(pulsed mode)에서의 작동 온도가 870K(597℃)[20]까지 올라갈 수 있는 갈륨-비소 다이오드의 최대 가능 작동 온도와 완전히 일치하는, Te ≤ 1150K(877℃)까지 유지될 수 있다. 또한, 적절한 다이오드의 재료는 상기 온도에서 변질되지만(degrade), 이것으로 공정 자체의 물리적인 특성(physics)을 위반하지 않는다. 이런 다이오드의 p-n 접합에 걸친 일반적인 전류 밀도는 (14)와 일치하는 j∼1㎄/㎠이다.
한계 전계 세기 Ee (15)는 터널 p-n 접합과 금속-반도체 접합 모두에서 전자 드롭의 증발을 유발할 수 있다. 예를 들면, V2O3에 대하여, 34kV/cm까지 전께의 증가는 E = 3E = 95kV/cm 내지 Tc 
0K(-273℃)[16 페이지의 16)에서 145K(-128℃) 내지 100K(-173℃)까지 위상 전이 온도를 떨어뜨린다.
보다 실험적인 증명은 저서 [9]를 이용할 수 있다. 작가는 고온의 MSPT(500K 내지 600K[16])를 갖는 TiOx·AsTiOx로 채워진 나노 크기의 셀을 연구했다. 이 막에서 전자쌍의 응축과 소멸에 대한 조건을 생성한다. 이것은 도 13의 도면 부호 12로 명기한 선으로 도시한 것처럼 전압-전류의 도면에서 4개의 N-형상 세그먼트의 구성을 초래한다. 이 도 13은 또한 b ＜ 1(도면 부호 26으로 명기한 선)과 b ＞ 1(도면 부호 27로 명기한 선)에 대하여 식 (19)에 따라 계산된 의존도(dependency)를 보여준다. 도면으로 알 수 있는 바와 같이 실험 데이터의 임계 에너지는 본 발명의 해석과 완전히 대응한다. 미소한 변동(minor variation)은 티타늄 다이오드 두께가 r0를 완전히 초과하는 2nm의 크기에 모두 포함된다는 사실에 관련된다 즉, 링 전자는 모션 벡터에 관련되는 경향이 있다.
메모리 셀은 모든 논리 디지털 회로의 중요한 구조이다. 이것은 링 전자의 상호 작용에 대한 특기 사항을 유념하며 설계해야 한다(도 2). 안정적인 논리 상태를 발생하기 위하여, 링 전자의 총(overall) 에너지가 최소로 되는 경우에서처럼, 최소 두 개의 링 전자를 필요로 한다. 그런 다음, (11-13, 16)을 이용하여 절환 에너지(switching energy)를 찾는다.
We = 2Ie
2Reτe = 2me(α2c)
2/2α = 3.18 10-20J (20)
이 식 (20)은 0.2eV와 같다.
조건 We ≥2KT/e가 작동 온도 T ＜ Te의 전체 범위 동안 만족된다는 것을 보여줄 수 있다, 즉 신호 대 노이즈비(signal-to-noise ratio)는 위에 기재한 두 개가 된다. 그래서, 이 시스템은 논리적인 동작을 실행할 때 항상 노이즈에 대해서는 영향을 받지 않는다(noise-immune).
실시예
1999년 현재 통상적인 리소그래피 기술(lithographic technique)은 180 내지 250nm이하의 크기를 갖는 소자의 설계를 어렵게 한다. 그러므로, 현재, 서브 마이크론 기술(submicron technique)에 기초하여 만들어지는 나노 크기형 전자 장치(nano-sized electronic device)로 점차적으로 전환될 것을 요구하고 있다.
X선 전자 또는 이온 리소그래피(ionic lithography)에 기초한다. 이것에 기초하여 나노 크기형 전자 장치의 매우 많은 실험 모델이 설계되었다. 이 장치는 본 명세서에서 참조한 특허 [4]-[9]에 기재되어 있다. 그러나, 일반적으로 이러한 소자는 헬륨 온도(helium temperature)에서 동작하고, 이들 소자는 미래에 상업적으로 이용될 것 같지는 않다.
액티브 논리막(active logical film)
융합된(fused) 단일-다층막-혼합(single-and multilayer films-composite) 형태로 제한된 진공 OS-전자 셀을 이용하기 위하여, 마이크론 및 서브 마이크론 크기를 갖는 다양한 디지털 및 아날로그-디지털 소자의 설계를 가능하게 한다. 다층 활성층 막이 구형 클러스터(sphere-like cluster)로 설계될 수 있다는 것은 자명하다:
예 1. 도 14는 구형 클러스터에 기초한 다충 논리 셀의 구조를 보여준다. 여기서 도면 부호 28은 구형 클러스터-셀이고, 도면 부호 29, 30은 제어 전자이고, 도면 부호 31은 기판이다. Nc 층에 위치하는 No 클러스터(28)로 이루어지는 벌크 소자(bulk element)는 직교하는 전자(29, 30) 사이에 삽입되어 있고, 공통 기판(31) 위에 위치한다.
단일 층 액티브 막은 실린더형 클러스터(cylinder-like cluster)로 이루어질 수 있다.
예 2. 도 15는 실린더형 클러스터의 그룹에 기초하는 논리 셀의 구조를 도시하고, 도면 부호 32는 실린더형 클러스터-셀이고, 도면 부호 33, 34는 제어 전극이며, 도면 부호 35는 기판이다. 실린더형 클러스터는 직교하는 두 개의 전극(33, 34) 사이에 형성된 단일 층에 형성된다. 소자 전체는 공통 기판(35) 상에 위치한다.
이들 두 개의 예에서, 클러스터들 간의 간극은 기체(gas), 유전체 또는 반도체로 채워질 수 있다.
예 3. 도 16은 휘발성 메모리 매트릭스를 보여주고, 도면 부호 36은 단일 실린더이나 실린더 클러스터이고, 도면 부호 37, 38, 39, 40은 직교하는 제어 전극이다. 이 메모리 셀에 정보를 기록하고 기억하는 것은 비선형 히스테리시스 특성(도 11)에 따른다. 비접속일 때, 셀은 전압 분배 버스를 통해 방전한다.
예 4. 도 17은 비휘발성 메모리 매트릭스를 도시하고, 도면 부호 41은 구형 클러스터이고, 도면 부호 42, 43, 44, 45는 직교하는 제어 전극이다. 이 메모리 셀은 비접속일 때 정보 기억을 허용하는 연속적으로 접속된 두 개 이상의 클러스터를 구비할 수 있다. 이 셀의 과충전은 백 전압(back voltage)에 의해 이루어진다.
예를 들면, 평균 클러스터 개수(No)가 50이고 층 개수(Nc)가 2인 150 ×150 ×60nm의 크기를 갖는 서브마이크론 메모리 셀은 30nm의 크기를 갖는 구형 클러스터의 셀용으로 생성될 수 있다. 이런 셀 내에 2 내지 200의 기본 전하를 기록할 수 있다. 이 경우에, 이런 셀 내에 기억되는 정보 기억 시간은 제한이 없다. 기 억 모드에서 셀은 에너지를 소비하지 않는다. 기록 펄스(U ＞ 2UeNe)나 판독 펄스(U ＜ 2UeNe)는 버스(42, 44)로 공급될 수 있다. 논리 신호의 "0"이나 "1"에 비례하는 전하는 판독 모드에서 제어 버스를 통해 방전(take off)될 수 있다.
액티브 아날로그 포토막(active analog photo films)
디지털 레벨 이외에, 융합된 다층 막은 기본 클러스터(elementary cluster)의 총 전하에 비례하는 아날로그 레벨을 기억할 수 있다.
예 5. 광 감응 반도체(light-sensitive semiconductor)로 채워진 자유 간극(free gap)을 갖는, 도 14에 도시한 막을 이용하여, 텔레비전이나 포토 카메라용 매트릭스를 용이하게 생성할 수 있다. 이 경우에, 클러스터 층은 광자를 효율적으로 흡수할 수 있다, 즉 막의 두께는 빛의 파장과 같은 수로 나누어 떨어 질 수 있다(commensurable). 이것은 500nm의 크기로 구성되는 15 내지 17개의 층에 대응한다. 물론, 이 경우에 하나의 전극(29)은 투명 도전체(transparent conductor)로 이루어질 수 있다.
직교하는 구조로 메가피크셀 광 감응 매트릭스(megapickcel light-sensitive matrix)를 설계할 때(도 17), 광 감응 셀은 100㎛2 크기의 영역을 차지한다. 분광 광 감응성(spectral photosentitivity)을 증가시키기 위하여, 클러스터들 간의 간극은 반도체 재료 등으로 완전히 채워지고, 클러스터 주위(nucleus)는 광 감응 반도체로 또한 밀봉된다. 이것은 이미 기술한 것처럼 링 전자가 광자와 상호 작용하는 작은 교차부를 갖고 전체 광 전환(photo conversion) 공정은 반도체에서 주로 이루어진다는 사실에 관련된다.
광 감응 매트릭스를 형성하는 작업(work)은 반도체에서 화상(picture)의 이미지(image)를 해석하고 있는 동안 광 캐리어(photo carrier)를 기억하는 공지의 원리에 기초하여 이루어진다. 화상의 해석이 종료된 후, 클러스터의 "breakthrough"를 초기화시키는 펄스 신호는 버스(29, 30)(도 14)로 공급되고, 기억된 광자는 디지털 메모리(도 17 참조)와 유사한 아날로그 형태로 기본 방식을 통해 버스에 판독된다. 그런 다음, 아날로그 신호는 버스 증폭기로 증폭되어 디지털화된다.
예 6. 광 감응 매트릭스는 MSPT를 갖는 재료에 기초하여 설계될 수 있다. 이 설계를 하기 위하여, 클러스터 셀들(도 5) 간의 간극은 광 감응 반도체로 채워지고, 또한 셀 자체는 터널 투명 간극(tunnel-transparent gap)없이(도 5) 형성된다. 이 경우에, MSPT를 갖는 재료는 금속 상태(metal phase)로 자신의 상이 변하는 상 전이점(phase transition point) 아래에서 동작한다. 광 정보는 예 5에서 이미 기술한 방식과 유사한 방식으로 기억된다. 판독 동작은 「식 15」에 따라서 전극(33, 34)(도 15)의 정전기장(electrostatic field)하에서 금속 상태로 채널 재료가 전이되기 때문에 이루어진다.
예 7. 표시 장치는 도 14 및 도 15에 도시한 막의 도움으로 용이하게 이루어지고, 자유 간격은 광활성 재료(photoactive material)로 채워진다. 이 경우에 전자는 확장된 좁은 전극을 따라서 클러스터의 한 층에서 이동하다. 전자의 일부는 발광 센터에 의해 흡수되어 발광된다. 그래서, 하나의 전극(29)이 투명 도전체 로 이루어진다는 것은 당연하다.
예 8. 자유 공간이 공핍 공간(empty space)에 존재하는 전자가 적은 일함수(function)를 갖는 재료로 채워지는, 도 14 및 도 15에 도시한 막을 이용하여, 제어 가능한 셀프-스캐닝 전자 소스(self-scanning electron source)를 용이하게 생성할 수 있다. 이러한 종류의 전자 소스는 예를 들면 캐소드 건(cathode gun) 대신에 평판 표시장치를 만들기 위하여 이용될 수 있다. 이 경우에, 전자는 좁게 연장된 전극을 따라서 클러스터의 층에서 이동하고, 전자는 진공에서 전자가 작은 일 함수를 갖는 재료로 채워지는 클러스터들 간의 터널-투명 공간(tunnel-transparent)을 넘어간다. 전자의 일부는 막 내부에서 이동하고, 전자의 다른 부분은 막 표면을 따라서 이동한다. 예를 들면, 전극(29)이 그리드(grid) 형태로 전자-투명하게 이루어질 경우, 부가적인 외부의 커다란 전기장에 의해 진공이나 가스쪽으로 전자가 이동하는 현상이 발생한다.
액티브 아날로그 분산 메모리(active analog distributed memory)
히스테리시스 특성을 가지는 각각의 단일 클러스터는 최대 2개의 전자를 저장할 수 있다. 따라서 이들을 군 단위로 결합함으로써, 아날로그 메모리를 이산하고 아날로그 정보를 저장 정확성을 클러스터 군의 크기에 비례하여 증가시킬 수 있다.
예 7. 아날로그 메모리의 근거를 위해, 도 14에 예시된 종류의 필름을 사용하여 아날로그 신호 검색 시간 이내에 전압 차를 버스(29, 30)에 공급한 후에, 클러스터의 일부를 구분하여 전기를 통하게 한다. 전하의 양은 저장된 신호의 레벨 을 결정한다. 셀의 전압을 UeNc 미만으로 감소시킴으로써 정보를 읽을 수 있다. 그 후에 표준 아날로그-디지털 변환기는 전하를 디지털화할 수 있다. 출력 신호를 차동화하고 이를 임펄스 카운터에 공급함으로써 충전 클러스터의 개수를 카운트한다. 최종 경우에는, 기본 클러스터의 수가 많기 때문에 각각의 셀은 log2N0에 의해 결정되는 용량을 가지는 하나의 종류의 직렬 아날로그-디지털 변환기를 가진다.
예 8. 분산된 슈퍼 고주파수 공진기로서 기능하는 전극 사이에 한 층의 클러스터가 위치하는 경우, 전압-전류 다이어그램에서 하강 특성부(도 11, 선 CD 또는 도 12 선 BC 또는 도 10 선 BO)가 존재하기 때문에 공진기 특성에 의해 결정되는 주파수를 가지는 분산 슈퍼 고 주파수 발생기를 생성할 수 있다. 이러한 발생기의 최대 경계 주파수는 공식(12)에 의해 결정된다. 이러한 발생기의 중요한 특성은 낮은 레벨의 노이즈이다.
3차원 논리
구형 및 구 등의 클러스터가 셀간의 직접 콘택과의 3차원으로 연결할 수 있도록 하는 것은 의미가 있다. 그 결과, 이러한 구조는 3차원 접근에 대한 현재의 평면 접근을 변경시킬 수 있으므로, 회로 밀도, 작동 속도 및 집적 회로의 작동성을 증가시킨다. 3차원 논리는 큰 분기 레벨의 구조, 즉 신경 컴퓨터의 설계시 뿐만 아니라 특정 애플리케이션에 적합화된 병렬 매트릭스 연산 구조를 설계하는 미래형 기술이다.
일렬로 연결된 다수의 클러스터는 단지 통계적 평균화로써 결함 소자를 보충 할 수 있으므로, 일반적으로 산출비를 증가시킨다. 또한, 층의 방사시 입자 트랙을 따라 위치하는 클러스터 크기로 가장 위험한 중 알파 입자의 트랙을 국부화한다. 따라서 온도 내성 및 방사 내성은 종래의 반도체 소자에 비해 매우 좋아진다.
이격된 그룹 논리 소자
클러스터막의 중요한 양호 특성은 2차원 및 3차원 구조가 가능한 동종의 능동 컴퓨터 매체를 개념적으로 설계할 수 있다는 것이다. 식 (3)에 따르면, 신경 소자간의 신호 전송에 있어서의 주요 문제점은 논리 회로의 소자와 출력 콘택을 연결하는 기생 용량이 존재하는 것이다. 문제점은 연결 소자에 증폭 기능을 부여함으로 해결한다. 즉 버스를 따라 통과하는 과정 중에 신호를 추가적으로 증폭시킬 수 있다. 집적 회로 콘택에 나노 논리를 적용하는 경우의 문제점은 단일 클러스터의 속도에 가까운 작동 속도를 갖는 버퍼 전원 증폭 설계를 요구한다. 즉, 특정 크기의 변압기를 만드는 것이 필요하다.
분포된 능동 논리 소자를 설계하는 몇몇 변형을 추가로 고려한다.
예 9. 도 18은 제어 저항 전극을 콘택 클러스터 그룹에 연결하는 변형예를 나타내고, 여기서 도면 부호 46은 구형 또는 원통형 클러스터(47), 도면 부호 47, 48은 공급 전극, 도면 부호 49는 이격된 저항층, 도면 부호 50은 제어 전극, 도면 부호 51은 격리 절연층, 도면 부호 52는 출력 전극이다. 클러스터(46)는 금속 기판(48)상에 위치하며, 반도체 매체(49)를 통하여 제어 전극(47)에 연결된다. 이러한 매체는 이격된 부하이다. 이러한 부하는 S-다이오드(참조 번호 15)상의 뉴리스터(neuristor) 상에 또는 이격된 터널 접합 또는 조셉슨(Josephson) 이격 접합(참 조번호 14)에 사용된다. 반도체의 특정 유전 투자율이 1보다 훨씬 큰(ε》1) 것이 중요하므로, 이들의 특정 저항이 도 11의 도면 부호(22)에서 클러스터의 전압-전류 다이어그램의 하강부와 교차하는 저항 부하를 형성할 수 있다. 이 경우, 앞가장자리 또는 솔리톤(soliton)의 형태를 가진 스위치의 파형은 전극(48, 47)에 펄스 공급시 클러스터 매체에서 퍼질 수 있다. 여기서 신호 증폭 과정은 도 11의 전압-전류 다이어그램의 CD 부분에 나타낸 음의 차분 저항 조건으로 설정된다. 과정의 초기화를 전극(50) 및 전극(52)에 의한 신호 취득(pick-up)으로 제어할 수 있다.
예 10. 도 19는 추가의 클러스터층을 통하여 제어 전극을 콘택 클러스터 그룹에 연결한 변형예를 나타내며, 여기서 도면 부호 53은 구형 클러스터, 도면 부호 54, 55는 공급 전극, 도면 부호 56은 이격된 부가 클러스터층, 도면 부호 57은 제어 전극, 도면 부호 58은 격리층, 도면 부호 59는 출력 전극이다. 부가 클러스터층을 사용하기 때문에 유지된 파형 즉, 솔리톤을 전송할 수 있고, 에너지 저하시 소자 상태를 한 번에 저장할 수 있다. 능동 과정은 전술한 전력 저하 상태로부터 지속된다. 전체 시스템은 공급 전극의 변경시 재설정된다.
예 11. 도 20은 그룹 논리 셀 "OR"을 나타내며, 여기서 도면 부호 60은 구형 또는 원통형 클러스터, 도면 부호 61, 62 및 63은 입력 제어 전극, 도면 부호 64는 출력 전극을 나타낸다. 클러스터(60)를 통하여 대전파를 초기화하는 시작 신호는 입력 전극(61, 62, 63) 중 하나를 관통한다. 전극(64)은 클러스터 형태로 증폭된 전하를 모은다. 도 18의 전극(47, 48)에 나타낸 바와 같이, 전극으로 모든 클러스터를 공급한다. 전극(61, 62, 63)은 전극(50)에 대응하고, 전극(64)은 전극(52)에 대응한다.
예 12. 도 21은 출력 분기를 구비한 그룹 논리셀 "OR"을 나타내고, 여기서 도면 부호 65는 구형 또는 원통형 클러스터이고, 도면 부호 66, 67, 68은 입력 제어 전극이며, 도면 부호 69, 70, 71은 출력 전극이다. 여기서 제11 실시예와 비슷한 방법으로 전하파의 초기 단계는 전극(66, 67, 68) 중의 하나로 실행된다. 그러나 출력은 독립적이고, 입력 신호를 3개의 출력으로 분기한다. 제11 실시예와 동일한 방법으로 클러스터(65)를 공급한다.
예 13. 도 22는 전력 출력을 구비한 그룹 논리셀 "OR"을 나타내며, 여기서 도면 부호 72는 구형 또는 원통형 클러스터이고, 도면 부호 73, 74, 75, 76, 77은 입력 제어 전극이며, 도면 부호 78은 출력 전극이다. 여기서 입력 신호를 전극(73 내지 77)중의 하나로 클러스터 그룹에 공급한다. 전하 파형을 클러스터 그룹으로 증폭하여 출력 전극(78)으로 모은다. 전하 파형은 클러스터 그룹으로 증폭되어 출력 전극(78)로 모은다. 이 전극은 마이크로 크기의 전기장 또는 양극 트랜지스터에 기초한 표준 논리 소자의 입력으로서 기능할 수 있거나 직접적으로 논리 나노전자 마이크로회로의 출력 콘택일 수 있다.
신호의 방향성
도 1 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 클러스터는 전기적으로 대칭인 소자이다. 그러나 몇몇 애플리케이션은 한 방향으로 전파하는 신호를 필요로 한다. 이러한 기능을 수행하기 위하여, 전기장 강도 변화의 정확한 방향을 설정하는 것이 필요하다. 이를 수행하도록 적절한 방향에 클러스터와 연결된 전극 테이퍼를 기하학적으 로 형성하거나 다양한 출력일을 가진 재료로 전극을 생산하는 것이 필요하다.
예 14. 도 23은 표적 신호 방향을 갖춘 다양한 집적 논리셀을 나타내며, 도면 부호 79는 구형 또는 원통형 클러스터이고, 도면 부호 80은 정보 전극이며, 도면 부호 81, 82는 공급 전극이다. 여기서 입력 신호는 전극(80)을 따라 좌에서 우로 클러스터(79)를 통하여 전파한다. 연속형 및 펄스형 공급은 직접 전극(81, 82)에 연결된다.
예 15. 도 24는 신호 통과 및 분기의 표적 방향을 갖춘 다양한 집적 논리셀을 나타내며, 도면 부호 83은 구형 또는 원통형 클러스터이고, 도면 부호 84은 정보 전극이며, 도면 부호 85, 86은 공급 전극이고, 도면 부호 87은 분기된 정보 전극이다. 여기서 입력 신호는 전극(84)을 통하여 공급되며, 클러스터(83)에서 증폭되고, 전극(87)으로 2이상의 출력으로 추가로 분기되며, 전극(88)을 통하여 유사 소자에 공급된다.
로컬 논리 소자
로컬 논리 소자는 신호의 표적 전파 방법을 사용하여 생성할 수 있다.
예 16. 표적 전극을 사용하여 전방향 시프트 레지스터를 충분히 만든다. 도 25는 이러한 시프트 레지스터를 제공하며, 도면 부호 89은 구형 또는 원통형 클러스터이고, 화살표는 정보 전극을 나타내고, 도면 부호 90, 91은 정보 전극이며, U1, U2는 반위상(antiphase) 펄스 공급 전압이고, U3은 입력 전압이며, U4는 출력 전압이다. 위상이 다른 펄스 공급은 버스(U1, U2)에 공급된다. 입력(U1)으로부터의 논 리 신호는 셀(89)에서 회로를 따라 출력(U4)으로 시프트한다.
예 17. 도 26은 휘발성 논리 소자 "NOT"를 나타내며, 도면 부호 92는 구형 또는 원통형 클러스터이고, U1은 펄스 또는 직공급 전압, U2는 입력 전압, U3
는 출력 전압, R은 저항 부하이다. 펄스 또는 직공급 전압은 공급 버스(U1)에 입력되고, 제어 전극(U2)은 전기 트랜지스터의 게이트 가능과 유사한 제어 전극으로 기능하고, 즉 "NOT" 부정형 기능을 수행한다.
예 18. 도 27은 비휘발성 논리 소자 "NOT"를 나타내고, 도면 부호 93은 구형 클러스터, 도면 부호 94는 부가 클러스터, U1은 펄스 공급 전압, U2는 입력 전압, U3는 출력 전압이다. 여기서의 소자는 제17 실시예와 동일한 방식으로 수행되나, 부하는 부가 클러스터(94)이다. 이러한 회로는 off 모드에서 정보 기억의 역할을 한다. 제17 실시예와 다른 소자의 공급은 단지 펄스 공급일 수 있다. 클러스터(94)는 과대전시킬 필요가 있다. 에너지 저하시 2개의 전자쌍은 2개의 직렬 연결된 클러스터 중 하나에 남을 수 있다. 이 경우, 클러스터쌍은 사실상 논리 트리거(trigger)이다.
예 19. 4위치용 2개의 레벨 트리거를 도 27의 메모리 등으로 2개의 논리 소자 "NOT"를 가로로 결합하여 만들 수 있다. 2보다 큰 베이스를 가지는 논리 소자는 다양한 배치로 다수의 클러스터를 결합함으로써만민들 수 있다. 도 28은 비휘발성 트리거를 나타내며, 도면 부호 95는 구형 클러스터, 도면 부호 96은 부가 클 러스터, U1, U2는 펄스 공급 전압, U3, U4는 입력 전압, U5
, U6는 출력 전압이다. 전술한 트리거는 논리 소자 "OR" 및 "AND"를 가로로 결합하여 표준 회로하에서 동작한다.
예 20. 도 26에 나타낸 2개의 소자의 결합은 다양하게 알려진 아날로그 소자를 제조할 수 있는 기반하에 아날로그 신호의 차분 증폭기를 설계할 수 있다. 예를 들면 도 29는 아날로그 신호의 비교기를 나타내며, 도면 부호 97은 구형 클러스터 또는 원통형 클러스터, U1은 공급 전압, U2는 입력 전압, U3는 기준 전압, U4, U5는 출력 전압, R1, R2는 보통 저항체인 저항성 부하(R3)이다.
전술한 실시예가 정보 처리를 위해 아날로그 및 디지털 소자 모두에서 사용되는 연결 소자의 가장 통상적인 변형을 포함하기 때문에, 이를 기반으로 한 당업자는 필요한 집적 회로 소자를 쉽게 결합할 수 있다. 이것은 저항성 또는 클러스터 부하의 단순한 조합으로 이루어진다. 필요에 따라 더많은 클러스터 자체가 OS-, PS- 또는 APS-전자 효과의 기반하에 만들어질 수 있다. 공급 전극은 금속, 초전도체 또는 금속에서 반도체로 상전이된 재료로 만들 수 있다.
예 21. 식 (16)에 따르면, 셀의 양자 저항은 h/2e인 조셉슨 저항의 1/α배만큼 초과한다. 따라서 상온에서 저소음 저항을 갖는 표본을 설계할 수 있고, 이러한 표본은 일반 상수 h, e, α, e으로 결정되게 정밀한, 즉 10-7의 오차율로 설계된다. 표본은 전류원, 예를 들면 도 30에 나타낸 바와 같이 표준 전압원을 형성하 도록 연결된다. 도 30에서 도면 부호 98은 구형 클러스터, I는 전류원, U1, U2는 표준 출력 전압을 나타낸다.
뉴런 로직
신경 컴퓨터는 병렬 연산 구조의 장래 발전에 가장 발전되어 근접한 것이다. 이 기초 소자는 임계 비교 및 서로 다른 질량의 다수의 입력의 합하는 기능을 수행한다. [40]
예 24. 도 31은 뉴런 논리 소자를 나타내며, U1, U2, U3는 입력 전압, A1, A2, A3는 중량 승산기, 도면 부호 99는 아날로그 합산기, 도면 부호 100은 스레스홀드 소자, U4는 합산기 출력 전압, U5는 출력 전압이다.
도 20에 나타낸 것처럼 연결되고 단지 하나의 입력을 가진 능동막은 중량 합산 동작에 유용하다. 공통 전극으로 합쳐진 이러한 소자의 그룹은 도 32에 나타낸 바와 같이 뉴런 논리 소자의 비휘발성 중량 합산기를 형성하며, 도면 부호 101은 중량 A1, A2, A3로 구형 클러스터 중량 그룹이고, U1, U2
, U3은 입력 전압이며, U4는 합산기 출력 전압이다.
전하 운반자의 분리로 인하여 중량 승산 동작은 분리 방법으로 달성된다. 이 경우, 입력 신호 U1, U2, U3은 이러한 셀의 수에 비례하여 클러스터 셀에서 증가한다. U1은 중량 2인 A1에 대응하고, U2은 중량 3인 A1에 대응하며, U3은 중량 2인 A3에 대응한다. 신호의 총합은 전극(102)에서 이루어진다.
중량 합산 기능은 MSPT를 지닌 막으로 또한 달성할 수 있다. 도 33은 MSPT 재료에 기초한 뉴런 논리의 휘발성 중량 합산기를 나타내며, 도변 부호 103, 104, 105는 중량이 A1, A2, A3인 클러스터 그룹이고, U1, U2
, U3는 입력 전압이며, U4는 합산기 출력 전압이고, 도면 부호 106은 출력 전극이다. 이 경우, 막영역은 충전시 신호 증가비를 결정한다. 충전 레벨은 전술한 경우와 유사한 방법으로 중량 A1, A2 ,A3에 따라 결정한다.
도 23 및 도 33에 나타낸 소자에서, 예를 들면 도 29의 회로에 따라 출력 신호(U4)는 제조된 비교 소자에 공급되고, 여기서 임계 비교를 달성한다.
중량 합산기가 도 32에서 만들어지고, 도 19의 부가 클러스터층을 통하여 공급되는 경우, 메모리에 중량 합산을 수행할 수 있다. 이러한 메모리 기능은 실제 뉴런에 가장 가까운 설명이다.
갈바닉 교차 커플링
흔한 경우에, 집적 회로의 아날로그 및 아날로그-디지털 부품의 조합된 동작을 위해서는 제어 및 공급 버스를 따른 교차 볼타 효과(cross voltaic effect)의 제거가 필요하다. 이를 위해서는 r0이하의 거리에 위치한 두개의 전극 내의 링 전자들의 교차 효과가 이용될 수 있다. 그와 같은 거리에 전극이 있으면 갈바닉 커플링(galvanic coupling) 없이 전류 유도가 일어난다. 이 경우, 회로 전계는 링 전자 자체이므로 교류 전압을 사용할 필요가 없다.
예 25. 도 34는 전류 전류 변압기를 도시한 것으로, 도면부호 107과 108은 초전도체 또는 금속-반도체 상전이를 갖는 재료로 만들어진 입력 전극이고, 109는 출력 전극, I1과 I2는 입력 전류, I3는 출력 전류이다. 입력 전류(I1
, I2)는 교류나 직류 모두가 될 수 있다. 출력 전류(I3)는 변압비를 통해 입력 전류와 관련될 것이다. 한 도체의 교차 크기가 링 전자의 직경을 초과하지 않거나 그보다 약간 작고, 다른 도체는 링 전자를 형성하기에 충분한 조건을 갖고서 상기 영역에 인접해 있는 경우에 전자링 전계들의 상호작용에 의해 전자링들의 결합이 가능하다. 이 경우 일정 또는 교류 전류가 유도 공급될 수 있다.
예 26. 도 35는 dc-ac 변환기로서, 도면부호 110은 초전도체 또는 금속-반도체 상전이를 갖는 재료로 만들어진 입력 전극, 111은 출력 전극, I1은 입력 직류 전류, I2는 출력 교류 전류이다. 변압기 전극들 중 어느 하나가 2r0 보다 작은 거리까지의 출력 전극에의 근영역과 2r0 보다 큰 거리까지의 출력 전극으로부터의 원영역을 갖는 스퀘어 파형으로 만들어지는 경우에는, 출력 전극(111)에서는 그 근영역에만 나타나는 전류가 유도될 것이다. 이 경우에 만일 원영역에서의 전류 흐름 조건이 근영역에서의 조건과 다르다면 전자는 출력 전극을 통해 그룹으로 이동할 수 있다. 이에 의해 출력 회로에는 교류 전류가 유도된다. 즉 상기 디바이스는 직류 전류를 교류 전류로 변환하거나 교류 전류의 일 형태를 다른 형태로 변환할 수 있다. 전류 흐름에 대한 조건의 이질성은 기하학적 형상의 변화에 따라서 생길 수가 있다. 따라서 출력 전극이 2r0를 초과하거나 r0보다 작은 가변 교차부를 갖고 있다면, 흐르고 있는 전류는 그룹으로 집중될 것이다. 전극(111)이 초전도체 또는 MSPT를 가진 재료로 만들어지고 이 전극에 교류 전류가 연결되면, 전극(110)을 통해서는 다른 형태의 전류가 흐를 것이다. 특정 조건과 지연 하에서는 출력에 직류가 유도될 수 있다. 이에 따라 근접 영역을 따른 캐리어 이동 시간에 비례하는 주파수에서만 교류 전류의 정류 작용이 일어난다. 동시에 이런 종류의 디바이스는 전극들 간의 전압이 0.1V 이상이 아니라면 갈바닉 교차 커플링으로서 작용한다.
기술적 구현
본 발명은 동작 온도 증가와 그에 따른 디바이스의 상업화에 대한 전망을 공개한다. 그러나 이러한 디바이스의 제조가 현재 기술로 가능한가 하는 것과 대량 생산된 디바이스가 경제성이 있는가 하는 것이 문제이다.
본 발명의 공학적인 실시 가능성에 대해서 더 설명하기로 한다.
이하에서 현재 기술을 토대로 한 논리적 셀의 제조 가능성에 대해서 검증한다.
구 및 구형상 입자[1]를 형성하는데는 3가지 방법이 있다. 첫번째 방법은 37 nm 까지의 직경을 갖는 금속 또는 초전도체 클러스터를 가스 상태로 구성하고 이것을 산소 흐름 또는 이와 유사한 화학 제품에서 더 산화시키는 것이다. 그와 같은 입자의 형성은 지구 대기 속의 우박의 형성과 유사하다. 두번째 방법은 콜로이드 방법인데, 이 방법은 금속 염 용액으로부터 클러스터를 침전시킨 다음에 대 응 밀봉체를 가지고 화학적으로 코팅하는 방식이다. 세번째 방법은 파이로세람과 유사한 고체 과포화 용액에서의 집단 효과(collective effects)에 기초한 방식이다.
동공 클러스터는 제로겔[41]로 만들어지거나 또는 휘발 성분 첨가제의 첨가 시 액체 방울의 기체 블로잉에 이은 상향 가스 흐름[42] 속에서의 냉각에 의해 만들어 질 수 있다. 고주파 플라즈마-화학 탈질소 처리 중에 지르코늄 이산화물의 나노사이즈 동공구가 자동으로 얻어지며, 따라서 이 동공구는 플라즈마[43]로부터 직접 기판에 도포될 수 있다.
평면 수직 나노채널의 설계는 집단 형성 방법에, 예컨대 Al, Ta, Nb, Hf 등의 전기화학적 산화에 기초한다. 형성된 채널에는 갈바닉 기법[44]에 의해 금속이나 반도체로 채워진다.
상술한 실시예들은 현재 기술들로 이 실시예들을 바탕으로 나노미터 논리 셀과 집적 회로를 제조할 수 있음을 보여준다. 예컨대 클러스터는 콜로이드 용액 내에서 빠르게 생성되어 스피닝에 의해 60초 이내에 기판 상에 침전될 수 있다. 또한 클러스터는 1 ㎤/min 정도의 속도로 플라즈마트론을 이용한 금속의 증발에 이은 가스 흐름 속에서의 농축과 기판 상의 침전에 의해 생성될 수 있다. 이에 따라 d∼35 ㎚의 클러스터가 생성된다. 콜로이드상 기법과 증기상 기법 모두 1 ㎤ 재료로부터 전치(full-value) 양자 디바이스, 즉 트랜지스터인 약 2.3 1016개의 클러스터를 얻을 수 있다. 한 해에 전세계에서 제조되는 디지털 마이크로회로 개인용 컴 퓨팅 기계는 대략 상술한 수의 트랜지스터로 구성된다는 점에 주목한다.
중요한 것은 전극 바로 아래에 위치해 있지 않은 클러스터 층들은 신호 변환과는 관련이 없는 수동 영역을 구성한다는 것이다. 집단 생성 방법에 의해서 클러스터 비용은 매우 작아 실제로 제조 총비용에 영향을 주지 않는다.
현재 나노미터 소자를 제조할 수 있는 시리얼(실험적) 리소그래피 기술은 존재하지 않는다. 이 기술은 X-레이, 전자, 이온 리소그래피이다. 이 기술들을 이용하면 원하는 크기의 전극은 물론 나노사이즈 박막에 개구부를 만들 수가 있다. 더욱이, 모든 가능한 반도체 유전체 나노사이즈 박막의 제조를 위한 확실한 기술이 있다. 이 두가지 기술은 클러스터로 만들어진 박막 상에 원하는 형상의 전극을 도포하고 그에 따라서 본 명세서에서 이미 상술한 양자크기 디바이스를 제작할 수 있다. 앞으로는 이러한 기술들을 연속 생산용으로 개량할 필요가 있다.
따라서, 이제 나노테크놀로지는 실리콘과 갈륨-비소 기술의 골격은 그대로 유지하면서 고체 상태 전자 고온 마이크로회로 설계 개념을 검토하여 600K(327℃) 까지 동작가능한 디바이스를 제조할 수 있는 가능성을 제공한다.
저비용 고온 초전도 재료로부터 나노미터 클러스터를 집단적으로 성장시키는 기술의 개발은 93.5□C 까지의 온도에서 작동하는 근본적으로 새로운 전력 전송선, 초전도 에너지 저장, 발전기, 고효율 인자를 갖는 전기 모터 등을 설계할 수 있을 것이다.
현재 소위 "휘스커스(whiskers)"[45]라 불리는 나노미터 두께(10 - 100 ㎚)의 충분히 얇은(100㎛ 까지) 박막의 모든 가능한 재료로부터 성장시키기 위한 기술 이 많이 존재한다. 기본적으로 이 박막에는 고강도 특성을 갖는 결함 단결정이 없다. 고온에서는 케이블의 전기적 특성이 기계적 성질보다 더 중요하다. 그러므로 "휘스커스"는 이들을 결합 물질로 코팅하고 이들 간에 전기적 접촉을 형성함으로써 긴 도체 내에 배열될 수 있다. 이 경우, 불순물 중심이 r0를 넘지 않는 거리에 위치될 것이라면 링 전자는 하나의 "≪whisker"로부터 다른 하나의 "≪whisker"로 이동할 수 있다.
고온 초전도성을 만드는 다른 방식은 고분자 화합물을 기재로 하여 파이버를 만드는 것이다. 예컨대 고분자 화합물은 특정 기술[46]에 따라 자연스럽게 초전도 채널이 형성될 수 있는 산화 엘라스토머일 수 있다. 고분자 화합물로 고온 초전도체를 만드는 다른 예는 산화 폴리프로필렌[34]이 될 수 있다. 이 경우 산소는 전도성 첨가물로서 작용한다. 프로필렌과 엘라스토머를 기재로 한 파이버 제조 기술은 마이크론 직경 파이버 산업에서 잘 발달되어 있다. 상술한 기준에 따라서 파이버를 적당한 방식으로 처리하면 임계 전류 밀도가 낮은 고온 초전도체를 제조할 수 있다. 이제 필요한 것은 전류 밀도가 한정된 나노미터 파이버를 제작하는 것을 터득하여 다음 기술적 단계로 넘어가는 것이다.
고분자 화합물로 고온 초전도체를 제조하는 한가지 기술은 튜불린 단백질과 기타 다른 많은 단백질 기재의 마이크로 튜브를 만드는 것이다. 일반적으로 마이크로 튜브는 생세포의 동작 과정과 신경 자극의 전달 과정에 참여한다. 그 결과, 마이크로 튜브는 외부 직경이 □24HM, 내부 직경이 15 ㎚이고, 길이가 수 마이크로 미터인 긴 동공 원통이다. 마이크로 튜브는 미생물학적 기술에 따라서 또는 직접 촉매제, 즉 효소를 이용하여 특수한 반응기에서 합성하여 대량 생산할 수 있다. 중요한 것은 마이크로 튜브의 길이느 기본적으로 어떤 것에 의해서도 제한되지 않는다는 것이다. 마이크로 튜브는 적절한 도핑 과정에서 고온 초전도체로 변환될 수 있으며, 이들을 다발로 수득하는 것이 가능하다. 이 마이크로 튜브를 배열하여 조립체로 만듬으로써 저렴하고 유연한 케이블을 제조할 수 있다.
본 명세서와 청구범위에 기재된 전자 디바이스의 상기 실시예들과 조합과 그 동작 상태는 본 발명의 범위를 한정하려는 것이 아님은 당업자에게는 명백할 것이다. 유사한 디바이스와 부품도 본 발명의 본질 내에서 구현될 수 있다.
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Claims (102)
- 전극, 적어도 하나의 클러스터 및 터널형 투명 간극을 포함하는 양자 크기의 전자 소자에 있어서,상기 클러스터는 다음 식에서 알 수 있는 적어도 하나의 식별 크기를 가지며,D = aㆍr0여기서, r0는 다음 식으로 주어지는 전자파의 일주 반경이며,r0 = ħ/(meα2c)여기서 ħ는 플랑크 상수이며, me는 전자 질량이며, α= 1/137036은 미세 구조 상수(fine structure constant)이며, c는 광속이며, a는 1 ≤a ≤4의 범위에서 결정되는 계수이며, 상기 터널형 투명 간극의 두께는 r0 를 넘지 않고, 전극간의 간격은 r0 를 넘는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,상기 클러스터는 금속으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,상기 클러스터는 반도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,상기 클러스터는 초전도체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,상기 클러스터는 고분자 유기 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,상기 클러스터는 터널형 투명 간극의 덮개를 갖는 공동 형상으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,상기 클러스터는 중심을 기준으로 대칭 형상인 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,상기 클러스터는 축대칭 형상(axisymmetric form)인 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제8항에 있어서,상기 클러스터는 연장 가능하며, 다음 식d = br0, 2 ≤b ≤4에 의해 결정되는 횡단면형의 식별 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제9항에 있어서,상기 클러스터는 상기 축을 따라 연장 가능하며, 다음 식τ= br0, 1 ≤b ≤4에 의해 결정되는 주기의 정규 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,복수의 클러스터가 적어도 하나의 층에 정상적으로 위치되며, 클러스터들간의 간격은 r0를 넘지 않으며 그 사이는 터널형으로 투명한 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,상기 클러스터는 적어도 두 개의 전극에 접속되며, 그 중의 하나는 제어 전극인 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,상기 클러스터는 적어도 세 개의 전극에 접속되며, 그 중의 적어도 하나는 제어 전극인 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,상기 전극들은 도체 및/또는 반도체, 및/또는 초전도체 및/또는 도전성 유기 물질인 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,상기 클러스터들은 군을 이루어 집적되어 일차원 및/또는 이차원 및/또는 삼차원 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제15항에 있어서,상기 클러스터들은 개별 전극들의 상호 위치 지정에 의해 군을 이루어 집적되는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제16항에 있어서,상기 클러스터들은 개별 전극들의 상호 위치 지정과 그 형상에 의해 군을 이루어 집적되는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,상기 클러스터들은 대응 전극들에 접속되는 특수 절연 군으로 집적되는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,상기 전극들은 도체로 이루어지며 ρ≤10-3ohm/cm인 불변 고유저항을 갖는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,상기 전극들은 도체로 이루어지며 d ≥2r0인 횡단 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,상기 전극들은 초전도체로 이루어지며 d ≥2r0인 횡단 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,상기 전극들은 금속-반도체의 상 전이를 갖는 물질로 이루어지며 d ≥2r0인 횡단 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,상기 클러스터는 적어도 두 개의 제어 전극에 접속되며, 이러한 클러스터들의 집합은 스토리지 셀 매트릭스(storage cell matrix)를 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,두 개 이상의 직렬 클러스터는 적어도 두 개의 제어 전극에 접속되며, 이러한 클러스터들의 집합은 스토리지 셀 매트릭스를 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,두 개 이상의 클러스터는 적어도 두 개의 공급 전극에 적어도 하나의 저항층을 통해 접속되는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제23항에 있어서,두 개 이상의 클러스터는 공급 전극들에 접속되어 직접 상호 접촉하는 클러스터들의 단층 형상으로 군을 이루어 집적되며, 하나 이상의 클러스터는 제어 출력 전극들에 접속되며, 다른 클러스터 또는 클러스터들은 출력 전극에 접속되어 게이트 "OR"의 출력을 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제23항에 있어서,두 개 이상의 클러스터는 일차원 직렬 회로의 형상으로 군을 이루어 집적되며, 상기 회로의 짝수 요소들은 제1 공급 전극에 저항층들을 통해 접속되고 홀수 요소들은 제2 공급 전극에 저항층들을 통해 접속되며, 상기 홀수 요소들은 논리적 시프트 레지스터를 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,두 개 이상의 클러스터는 공급 전극들에 접속되어 단층 형상으로 군을 이루어 집적되며, 하나 이상의 클러스터는 제어 입력 전극들에 접속되며, 다른 클러스터 또는 클러스터들은 출력 전극에 접속되며, 입력 및 출력 클러스터들은 동일한 두께의 추가 전극들을 통해 함께 연결되며, 상기 전극들은 다음 군의 하나 이상의 클러스터에 접속될 수 있는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,두 개 이상의 클러스터는 공급 전극들에 접속되어 단층 형상으로 군을 이루어 집적되며, 하나 이상의 클러스터는 제어 입력 전극들에 접속되며, 다른 클러스터 또는 클러스터들은 출력 전극에 접속되며, 입력 및 출력 클러스터들은 일면이 신호 방향으로 점점 가늘어지는 테이퍼형 추가 전극들을 통해 함께 연결되며, 상기 전극들은 다음 군의 하나 이상의 클러스터에 접속될 수 있는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,상기 터널형 투명 간극을 통해 클러스터들에 접속되는 하나 이상의 제어 전극을 통해 직접 입력 전압이 직접 공급되며, 상기 클러스터는 저항 소자를 통하여 상기 공급 전압에 접속되며, 접합점(junction point)에 출력 전극이 연결됨으로써 게이트 "NOT"의 출려을 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,두 개의 클러스터가 저항 소자를 통하여 상기 공급 전압에 접속되어 있으며, 터널형 투명 간극을 통해 하나의 클러스터에 접속되는 제1 제어 전극을 통해 제1 입력 전압이 직접 공급되며, 상기 터널형 투명 간극을 통해 다른 하나의 클러스터에 접속되는 제2 전극에 제2 입력 전압이 공급되며, 각 클러스터의 저항 소자를 갖는 접합점 중 일부는 서로 연결되어 있으며, 저항 소자를 갖는 나머지 다른 접합점은 출력 전극에 연결됨으로써 두 개의 신호를 갖는 아날로그 비교기의 출력을 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,두 개의 클러스터가 저항 소자를 통하여 상기 공급 전압에 접속되어 있으며, 그 접합점이 출력 전극에 접속되어 있으며, 터널형 투명 간극을 통해 상기 제1 클러스터에 접속되는 제1 제어 전극을 통해 제1 입력 전압이 직접 공급되며, 상기 터널형 투명 간극을 통해 제2 클러스터에 접속되는 제2 제어 전극을 통해 제2 입력 전압이 공급되며, 상기 제1 출력 전극은 상기 터널형 투명 간극을 통해 제2 클러스터에 접속되며, 제2 출력 전극이 상기 터널형 투명 간극을 통해 상기 제1 클러스터에 접속됨으로써 쌍안정 트리거(bistable trigger)를 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,하나 이상의 클러스트가 저항층을 통하여 상기 공급 전극에 접속되어 하나의 공통 출력 전극을 통해 서로 결합되는 절연 군들을 형성하며, 클러스터로 이루어지는 각각의 절연 군은 하나 이상의 제어 출력 전극에 접속되며, 각각의 군 당 클러스터의 수로써 입력 신호에 따른 웨이트 함수를 결정함으로써 뉴런형 논리 성분 - 웨이트 가산기를 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,하나 이상의 클러스터는 하나의 추가 클러스터 층을 통해 적어도 상기 공급 전극에 접속되는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제32항에 있어서,두 개 이상의 클러스터는 공급 전극들에 접속되어 직접 상호 접촉하는 단층 형태의 클러스터들로 군을 이루어 연결되며, 하나 이상의 클러스터는 제어 입력 전극들에 접속되며, 다른 클러스터 또는 클러스터들은 출력 전극에 접속되어 메모리가 있는 게이트 "OR"의 출력을 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제32항에 있어서,두 개 이상의 클러스터는 공급 전극들에 접속되어 단층 형상으로 군을 이루어 집적되며, 하나 이상의 클러스터는 제어 입력 전극들에 접속되며, 다른 클러스터 또는 클러스터들은 상기 출력 전극들에 접속되며, 상기 입력 및 출력 클러스터들은 동일한 두께 및 폭의 추가 전극들을 통해 함께 연결되며, 상기 전극들은 다음 군의 하나 이상의 클러스터에 접속될 수 있는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제32항에 있어서,두 개 이상의 클러스터는 공급 전극들에 접속되어 단층 형상으로 군을 이루어 집적되며, 하나 이상의 클러스터는 제어 입력 전극들에 접속되며, 다른 클러스터 또는 클러스터들은 상기 출력 전극들에 접속되며, 상기 입력 및 출력 클러스터들은 일면이 신호 방향으로 점점 가늘어지는 테이퍼형 추가 전극들을 통해 함께 연결되며, 상기 전극들은 다음 군의 하나 이상의 클러스터에 접속될 수 있는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제32항에 있어서,하나 이상의 클러스트가 추가 클러스터들을 통하여 상기 공급 전압에 접속되어 하나의 공통 출력 전극을 통해 서로 결합되는 절연 군들을 형성하며, 클러스터로 이루어지는 각각의 절연 군은 하나 이상의 제어 입력 전극에 접속되며, 각각의 군 당 클러스터의 수로써 입력 신호에 따른 웨이트 함수를 결정함으로써 뉴런형 논리 성분 - 메모리가 있는 웨이트 가산기를 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,상기 클러스터는 추가 클러스터를 통해 상기 공급 전압에 접속되며, 상기 출력 전극에는 접합점이 접속되며, 상기 터널형 투명 간극을 통해 클러스터들에 접속되는 하나 이상의 제어 전극을 통해 상기 입력 전압이 직접 공급되어 메모리가 있는 역 게이트를 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,두 개의 클러스터가 추가 클러스터들을 통하여 상기 공급 전압에 접속되어 있으며, 터널형 투명 간극을 통해 하나의 클러스터에 접속되는 제1 제어 전극을 통해 제1 입력 전압이 직접 공급되며, 상기 터널형 투명 간극을 통해 다른 하나의 클러스터에 접속되는 제2 전극에 제2 입력 전압이 공급되며, 각 클러스터의 저항 소자를 갖는 접합점 중 일부는 서로 연결되어 상기 저항 소자를 통해 상기 공급 전극에 접속되어 있으며, 추가 클러스터들을 갖는 나머지 다른 접합점은 메모리가 있는 두개 신호의 아날로그 비교기의 출력인 출력 전극에 접속되는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,두 개의 클러스터가 추가 클러스터들을 통하여 상기 공급 전압에 접속되어 있으며, 그 접합점이 출력 전극에 접속되어 있으며, 상기 터널형 투명 간극을 통해 제1 클러스터에 접속되는 제1 제어 전극을 통해 제1 입력 전압이 직접 공급되며, 상기 터널형 투명 간극을 통해 제2 클러스터에 접속되는 상기 제2 제어 전극을 통해 제2 입력 전압이 직접 공급되며, 상기 제1 출력 전극은 상기 터널형 투명 간극을 통해 제2 클러스터에 접속되며, 제2 출력 전극이 상기 터널형 투명 간극을 통해 상기 제1 클러스터에 접속됨으로써 쌍안정 트리거 회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,두 개 이상의 클러스터는 두 개의 제어 전극에 적어도 접속되며, 그 중의 적어도 하나는 광투과 전극이며, 클러스터간의 간격들은 광감지 반도체로 채워져서 이러한 클러스터들의 집합은 광감지 매트릭스를 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,클러스터들의 하나 이상의 층들은 적어도 두 개의 분산 전극에 접속되며, 그 중의 적어도 하나는 광투과 전극이며, 클러스터간의 간격들은 광감지 반도체로 채워져서 광감지 저장 매체를 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,클러스터들의 하나 이상의 층들은 적어도 두 개의 전극에 접속되며, 그 중의 적어도 하나는 광투과 전극이며, 클러스터간의 간격들은 광 활성 물질로 채워져서 표시 화면을 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,클러스터들의 하나 이상의 층들은 적어도 두 개의 전극에 접속되며, 그 중의 적어도 하나는 그리드 투과 전극이며, 클러스터간의 간격들은 진공에서 일함수가 낮은 전자를 갖는 물질로 채워져서 전자원을 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,클러스터들의 하나 이상의 층들은 공진기 형태로 만들어진 적어도 두 개의 분산 전극에 접속되어 다음 식f ≤ meα4c2/(2πħ)에 의해 결정되는 최대 한계 주파수의 고주파 생성기를 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제1항에 있어서,하나 이상의 클러스터는 전극을 통하거나 직접 접촉함으로써 전류원에 접속되며, 그 접촉점 중의 적어도 하나는 출력 전극에 접속되어 다음 레벨U = nα3c2me/2e를 갖는 표준 전압원을 생성하며, 여기서 n은 직렬 접속된 클러스터의 개수인 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 동작 범위의 세기에서 전기장을 인가하는 단계를 포함하는 제1항 내지 제43항 중 어느 한 항에 따른 전자 소자를 동작시키는 프로세스에 있어서,하나의 클러스터에서 상기 전가장의 제어 세기의 크기는 다음 범위Emin ≤ E ≤ Emax에서 결정되며, 여기서 Emin = me 2α5c3/2eħ, Emax = Emin/4πα, ħ는 플랑크 상수이 며, me는 전자 질량이며, α= 1/137036은 미세 구조 상수이며, c는 광속인 프로세스.
- 제48항에 있어서,연속적인 및/또는 펄스 전원을 공급하는 단계를 포함하는 프로세스.
- 전극들 및 이들 사이에 위치되는 금속-반도체 상 전이가 있는 물질층을 포함하는 양자 크기의 전자 소자에 있어서,상기 금속-반도체 상 전이가 있는 물질층은 횡단 치수가 다음 식에 의해 결정되는 적어도 하나의 클러스터 형태로 이루어지며,D = ar0여기서, r0는 다음 식으로 주어지는 전자 파동의 일주 반경이며,r0 = ħ/(meα2c)여기서 ħ는 플랑크 상수이며, me는 전자 질량이며, α= 1/137036은 미세 구조 상수이며, c는 광속이며, a는 2 ≤a ≤4의 범위에서 결정되는 계수이며, 전극들간의 거리는 r0 이상인 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제50항에 있어서,상기 클러스터는 공급 전극들 및 하나의 로드에 적어도 접속되며, 하나 이상의 제어 전극은 터널형 투명 간극을 통해 접속되며, 상기 터널형 투명 간극의 폭은 r0 이상이 아니며, 전극간의 거리는 r0 이하가 아닌 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제50항에 있어서,상기 전극들은 도체로 이루어지며 ρ≤10-3ohm/cm인 불변 고유저항을 갖는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제50항에 있어서,상기 전극들은 도체로 이루어지며 d ≥2r0인 횡단 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제50항에 있어서,상기 전극들은 초전도체로 이루어지며 d ≥2r0인 횡단 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제50항에 있어서,상기 전극들은 금속-반도체의 상 전이를 갖는 물질로 이루어지며 d ≥2r0인 횡단 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제50항에 있어서,하나 이상의 클러스터는 하나의 저항층을 통해 적어도 공급 전극들에 접속되는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제56항에 있어서,두 개 이상의 클러스터는 공급 전극들에 접속되어 직접 상호 접촉하는 클러스터들의 단층 형상으로 군을 이루어 연결되며, 하나 이상의 클러스터는 제어 입력 전극들에 접속되며, 다른 클러스터 또는 클러스터들은 출력 전극들에 접속되어 게이트 "OR"의 출력을 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제56항에 있어서,두 개 이상의 클러스터는 공급 전극들에 접속되어 단층 형상으로 군을 이루어 집적되며, 하나 이상의 클러스터는 제어 입력 전극들에 접속되며, 다른 클러스터 또는 클러스터들은 출력 전극들에 접속되며, 입력 및 출력 클러스터들은 동일한 두께 및 폭의 추가 전극들을 통해 함께 연결되며, 상기 전극들은 다음 군의 하나 이상의 클러스터에 접속될 수 있는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제56항에 있어서,둘 이상의 클러스터가 공급 전극에 연결되어 단층 형태로 군을 이루어 집적되어 있고, 하나 이상의 클러스터가 제어 입력 전극에 연결되어 있고, 나머지 다른 클러스터가 출력 전극에 연결되어 있고, 상기 입력 및 출력 클러스터는 일면이 신호 전송 방향으로 테이퍼진 부가 전극을 통하여 서로 결합되어 있으며, 상기 전극들이 이웃하는 군의 하나 이상의 클러스터에 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제40항에 있어서,클러스터와 터널형 투명 간극을 사이에 두고 연결되어 있는 하나 이상의 제어 전극에 입력 전압이 직접 공급되고, 상기 클러스터가 저항 소자를 통하여 상기 입력 전압에 연결되며, 그리고 접합점에 출력 전극이 연결됨으로써, 게이트 출력 "NOT"를 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제50항에 있어서,두 개의 클러스터가 저항 소자를 통하여 상기 공급 전극에 연결되어 있고, 하나의 클러스터와 터널형 투명 간극을 사이에 두고 연결되어 있는 제1 제어 전극에 제1 입력 전압이 직접 공급되고, 다른 하나의 클러스터와 터널형 투명 간극을 사이에 두고 연결되어 있는 제2 전극에 제2 입력 전압이 공급되며, 각 클러스터의 저항 소자를 갖는 접합점 중 일부는 서로 결합되어 있고, 저항 소자를 갖는 나머지 다른 접합점은 출력 전극에 연결됨으로써, 두 개의 신호를 갖는 아날로그 비교기의 출력을 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제50항에 있어서,두 개의 클러스터가 저항 소자를 통하여 상기 공급 전극에 연결되어 있고, 그 접합점이 출력 전극에 연결되어 있으며, 제1 클러스터와 터널형 투명 간극을 사이에 두고 연결되어 있는 제1 제어 전극에 제1 입력 전압이 직접 공급되고, 제2 클러스터와 터널형 투명 간극을 사이에 두고 연결되어 있는 제2 제어 전극에 제2 입력 전압이 직접 공급되며, 제1 출력 전극이 상기 제2 클러스터와 터널형 투명 간극을 사이에 두고 연결되고, 제2 출력 전극이 상기 제1 클러스터와 터널형 투명 간극을 사이에 두고 연결됨으로써, 쌍안정 트리거를 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제50항에 있어서,하나 이상의 클러스트가 저항층을 통하여 상기 공급 전극에 연결되며 그리고 하나의 공통 출력 전극을 통해 서로 결합되는 절연 군을 형성하고, 클러스터로 이루어지는 각각의 절연 군은 하나 이상의 제어 출력 전극에 연결되고, 각각의 군 당 클러스터의 수로써 입력 신호에 따른 웨이트 함수를 결정함으로써, 뉴런형 논리 성분 - 웨이트 가산기를 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제50항에 있어서,둘 이상의 클러스터가 적어도 두 개의 제어 전극에 연결되고, 클러스터 사이의 간극은 감광 반도체로 채워지며, 그러한 한 세트의 클러스터로 감광 매트릭스를 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제50항에 있어서,하나 이상의 클러스트 층이 적어도 두 개의 전극에 연결되고, 그 중 적어도 하나의 전극은 투광 전극이며, 상기 클러스터 사이의 간극은 투광 물질로 채워져서 표시 스크린을 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제50항에 있어서,하나 이상의 클러스트 층이 적어도 두 개의 전극에 연결되고, 그 중 적어도 하나의 전극은 전자를 통과시키는 그리드이며, 상기 클러스터 사이의 간극은 진공에서 낮은 전자 일함수를 갖는 물질로 채워져서 전자 소스를 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제50항에 있어서,하나 이상의 클러스트 층이 공진기 형태로 만들어진 적어도 두 개의 분배 전극에 연결됨으로써, 다음의 식으로부터 결정되는 최대 한계 주파수를 갖는 고주파 생성기를 형성하는 소자,f ≤me α4c2 / h.
- 제46항 내지 제67항 중 어느 한 항에 따른 소자를 동작하는 방법으로서,적어도 하나의 클러스터를 통하여 전류가 흐르게 하는 단계를 포함하고,클러스터를 통하는 전류 밀도가 다음의 식의 범위 내인 방법,j ≤4 πe me 3 α8c4 / h3여기서, h는 플랑크 상수, me는 전자의 질량, e는 전하량, α는 미세 구조 상수로서 1/137036인 값, c는 광속임.
- 제50항 내지 제63항, 제65항 내지 제67항 중 어느 한 항에 따른 소자를 동작하는 방법으로서,소자의 동작 온도보다 높은 금속-반도체 상 전이 온도를 갖는 물질을 클러스터 내에 사용함으로써, 단위 클러스트 당 전기장의 세기가 다음의 식으로 결정되는 범위를 만족하는 방법,E ≥me 2 α5c3 / (2eħ)여기서, ħ는 플랑크 상수, me는 전자의 질량, e는 전하량, α는 미세 구조 상수(fine structure constant)로서 1/137,036인 값, c는 광속임.
- 제64항에 따른 소자를 동작하는 방법으로서,적어도 하나의 클러스터를 통하여 전류가 흐르게 하는 단계를 포함하고,상기 클러스터 내에 소자의 동작 온도보다 높은 금속-반도체 상 전이 온도를 갖는 물질을 사용하는 방법.
- 전극 및 상기 전극 사이에 위치하는 적어도 하나의 클러스터를 포함하고,상기 클러스터는 초전도 물질로 이루어지며 단면의 크기가 다음의 식에 근거하는 양자-크기의 전자 소자,D = a ·r0,여기서, r0 는 전자파의 반경으로서, 식 r0 = ħ/ me α2 c (ħ는 플랑크 상수, me는 전자의 질량, α는 미세 구조 상수로서 1/137036인 값, c는 광속)로 표현되고,a는 2 ≤a ≤4의 범위 내에서 결정되는 계수이고,전극 사이의 거리는 r0 이상임.
- 제71항에 있어서,상기 클러스터가 터널형 투명 간극을 통하여 하나 이상의 제어 전극, 공급 전극, 및 적어도 하나의 부하에 연결되어 있고, 상기 터널형 투명 간극의 두께는 r0보다 작은 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제71항에 있어서,상기 전극은 전도체로 이루어지며 다음의 식을 만족하는 일정 고유 저항을 갖는 소자,ρ≤10-3 ohm/cm.
- 제71항에 있어서,상기 전극은 전도체로 이루어지며 단면의 크기가 d ≥2 r0 인 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제71항에 있어서,상기 전극은 초전도체로 이루어지며 단면의 크기가 d ≥2 r0 인 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제71항에 있어서,상기 전극은 금속-반도체 상 전이를 갖는 물질로 이루어지며 단면의 크기가 d ≥2 r0 인 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제71항에 있어서,하나 이상의 클러스터가 적어도 하나의 저항 층을 통하여 상기 공급 전극에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제71항에 있어서,둘 이상의 클러스터가 공급 전극에 연결되며 클러스터끼리 서로 직접 접촉하는 단층 형태로 군을 이루어 집적되어 있고, 하나 이상의 클러스터가 제어 입력 전극에 연결되어 있고, 나머지 다른 클러스터가 출력 전극에 연결됨으로써, 게이트 출력 "OR"을 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제71항에 있어서,둘 이상의 클러스터가 공급 전극에 연결되며 단층 형태로 군을 이루어 집적되어 있고, 하나 이상의 클러스터가 제어 입력 전극에 연결되어 있고, 나머지 다른 클러스터가 출력 전극에 연결되어 있고, 상기 입력 및 출력 클러스터는 동일한 두께 및 폭을 갖는 부가 전극을 통하여 서로 결합되며, 상기 전극들이 이웃하는 군의 하나 이상의 클러스터에 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제71항에 있어서,둘 이상의 클러스터가 공급 전극에 연결되며 단층 형태로 군을 이루어 집적되어 있고, 하나 이상의 클러스터가 제어 입력 전극에 연결되어 있고, 나머지 다른 클러스터가 출력 전극에 연결되어 있고, 상기 입력 및 출력 클러스터는 일면이 신호 전송 방향으로 테이퍼진 부가 전극을 통하여 서로 결합되어 있으며, 상기 전극들이 이웃하는 군의 하나 이상의 클러스터에 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제71항에 있어서,클러스터와 터널형 투명 간극을 사이에 두고 연결되어 있는 하나 이상의 제어 전극에 입력 전압이 직접 공급되고, 상기 클러스터가 저항 소자를 통하여 상기 입력 전압에 연결되며, 접합점에 출력 전극이 연결됨으로써, 게이트 출력 "NOT"를 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제71항에 있어서,두 개의 클러스터가 저항 소자를 통하여 상기 공급 전극에 연결되어 있고, 하나의 클러스터와 터널형 투명 간극을 사이에 두고 연결되어 있는 제1 제어 전극을 통하여 제1 입력 전압이 직접 공급되고, 다른 하나의 클러스터와 터널형 투명 간극을 사이에 두고 연결되어 있는 제2 전극에 제2 입력 전압이 공급되며, 각 클러스터의 저항 소자를 갖는 접합점 중 일부는 서로 결합되어 있고, 저항 소자를 갖는 나머지 다른 접합점은 출력 전극에 연결됨으로써, 두 개의 신호를 갖는 아날로그 비교기의 출력을 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제71항에 있어서,두 개의 클러스터가 저항 소자를 통하여 상기 공급 전극에 연결되어 있고, 그 접합점이 출력 전극에 연결되어 있으며, 제1 클러스터와 터널형 투명 간극을 사이에 두고 연결되어 있는 제1 제어 전극에 제1 입력 전압이 직접 공급되고, 제2 클러스터와 터널형 투명 간극을 사이에 두고 연결되어 있는 제2 제어 전극에 제2 입력 전압이 직접 공급되며, 제1 출력 전극이 상기 제2 클러스터와 터널형 투명 간극을 사이에 두고 연결되고, 제2 출력 전극이 상기 제1 클러스터와 터널형 투명 간극을 사이에 두고 연결됨으로써, 쌍안정 트리거를 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제71항에 있어서,둘 이상의 클러스트가 저항층을 통하여 상기 공급 전극에 연결되며 그리고 하나의 공통 출력 전극을 통해 서로 결합되는 절연 군을 형성하고, 클러스터로 이루어지는 각각의 절연 군은 하나 이상의 제어 출력 전극에 연결되고, 각각의 군 당 클러스터의 수로써 입력 신호에 따른 웨이트 함수를 결정함으로써, 뉴런형 논리 성분 - 웨이트 가산기를 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제71항 내지 제84항 중 어느 한 항에 따른 소자를 동작하는 방법으로서,소자의 동작 모드는 사용하는 물질이 초전도 상태로 천이하는 임계 온도 내로 제한되며, 상기 임계 온도는 다음의 식으로 결정되는 방법,Tc < me α3c2 / (2kπ),여기서, k는 볼츠만 상수, me는 전자의 질량, α는 미세 구조 상수로서 1/137036인 값, c는 광속임.
- 제85항에 있어서,제어 전압의 영향 하에서의 초전도 상태로부터 정상 상태로의 천이는 클러스터에서의 전기장의 세기가 다음의 식을 만족할 때 일어나는 소자,E > me 2α5c3 / (2he),여기서, h는 플랑크 상수임.
- 적어도 하나는 초전도체 또는 금속-반도체 상 전이를 갖는 물질로 이루어지는 전극을 포함하고,적어도 하나의 상기 전극의 적어도 하나의 영역은 단면의 크기가 다음의 식으로부터 결정되는 양자 크기의 전자 소자,d = nd ·r0,여기서, r0 는 전자파의 반경으로서, 다음의 식r0 = ħ/ (me α2c)(여기서, ħ는 플랑크 상수, me는 전자의 질량, α는 미세 구조 상수로서 1/137036인 값, c는 광속, nd는 1 ≤nd ≤2의 범위내의 계수)으로 표현됨.
- 제87항에 있어서,특정 단면 크기의 영역에서, 전극 군은 2r0보다 작은 거리에의 적어도 하나의 접근 영역을 가짐으로써, 직류 또는 교류 변압기를 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제87항에 있어서,특정 단면 크기의 영역에서, 두 개의 전극은 2r0보다 작은 거리에의 적어도 두 개의 접근 영역을 가지며, 직류 또는 교류가 상기 전극 중 하나를 통해 흐르고, 제2 전극이 부하에 연결됨으로써, 직류를 교류로 변환하는 컨버터를 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제87항에 있어서,두 개의 전극은 2r0보다 작은 거리에의 적어도 두 개의 접근 영역을 가지며, 특정 주파수의 교류가 상기 전극 중 하나를 통해 흐르고, 제2 전극이 부하에 연결되며, 직류가 상기 부하를 통해 흐름으로써, 직류를 교류로 변환하는 컨버터를 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제87항 내지 제90항 중 어느 한 항에 있어서,적어도 하나의 전극은 특정 전극 크기로부터의 주기적 편차 영역(축소/팽창)과 r0보다 작은 거리에의 적어도 두 개의 접근 영역을 가지며, 적어도 하나의 전극이 부하에 연결됨으로써, 전류의 형을 변환하는 컨버터를 형성하는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 초전도 물질을 포함하고,상기 초전도 물질은 단면의 크기가 다음의 식으로부터 결정되는 양자 크기의 전자 소자,D = nd ·r0,여기서, r0 는 전자파의 반경으로서, 다음의 식r0 = ħ/ (me α2c)(여기서, ħ는 플랑크 상수, me는 전자의 질량, α는 미세 구조 상수로서 1/137036인 값, c는 광속, a는 2 이상의 계수)으로 표현됨.
- 제92항에 있어서,상기 초전도 물질은 체인 형태로 군을 이루어 서로 결합되어 있는 하나 이상의 클러스터로 이루어지고, 상기 클러스터는 공급 전극에 연결되어 있으며 2r0 보다 크기가 작지 않은 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제92항에 있어서,상기 초전도 물질은 하나 이상의 층 형태로 군을 이루어 서로 결합되어 있는 둘 이상의 클러스터로 이루어지고, 상기 클러스터는 공급 전극에 연결되어 있으며 2r0 보다 크기가 작지 않은 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제92항에 있어서,상기 초전도 물질은 전자 도너 센터(electron donor center)를 포함하는 고분자 유기 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제92항에 있어서,상기 초전도 물질은 전자 도너 센터를 포함하는 외피(covering)와 2r0 이하의 크기를 갖는 공동을 갖는 모세관 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제92항에 있어서,상기 초전도 물질은 전자 도너 센터를 포함하는 반도체의 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제95항 내지 제97항 중 어느 한 항에 있어서,상기 전자 도너 센터 사이의 거리는 다음의 식과 같은 조건으로부터 선택되는 소자,d ≤4 r0.
- 제93항 내지 제97항 중 어느 한 항에 있어서,상기 초전도 물질은 링 또는 솔레노이드 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 양자 크기의 전자 소자.
- 제92항 내지 제99항 중 어느 한 항에 따른 소자를 동작하는 방법으로서,소자의 동작 범위는 사용하는 물질이 초전도 상태로 천이하는 임계 온도 내로 제한되며, 상기 임계 온도는 다음의 식으로 결정되는 방법,Tc < me α3c2 / (2kπ),여기서, k는 볼츠만 상수, me는 전자의 질량, α는 미세 구조 상수로서 1/137,036인 값, c는 광속임.
- 제92항 내지 제99항 중 어느 한 항에 따른 소자를 동작하는 방법으로서,클러스터 또는 전도체를 통하는 전류의 밀도가 다음의 식의 범위 내인 방법,j ≤4 πe me 3 α8c4 / h3여기서, ħ는 플랑크 상수, e는 전하량임.
- 제92항 내지 제99항 중 어느 한 항에 따른 소자를 동작하는 방법으로서,소자의 동작 범위는 사용하는 물질이 초전도 상태로 천이하는 임계 자기장 내로 제한되며, 상기 임계 자기장은 다음의 식으로 결정되는 방법,Be < (me /e)[me(α2c)2 / ħ].
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