Modeling and Simulation of Single Electron Systems ...

6 downloads 4084 Views 3MB Size Report
Modeling and Simulation of Single Electron. Systems for Nanoelectronic Applications. A Thesis. Submitted in Partial Fulfillment of the Requirement for.
Minia University Faculty of Engineering  Electrical Engineering Dept. 

 

Modeling and Simulation of Single Electron  Systems for Nanoelectronic Applications   

A Thesis  Submitted in Partial Fulfillment of the Requirement for  the Degree of  Master of Science  In  Electrical Engineering   

By 

Eng. Mohamed Gamal Ahmed Mohamed  B.Sc. in Electrical Engineering (Communication and Electronics)  Demonstrator in Electrical Engineering Department  Faculty of Engineering, Minia University 

  Under the Supervision of  Prof. Dr. Mohamed Ahamed Abdel Wahab  Dr. El­Sayed Abd El­Hameed Mahmoud Hasaneen  Electrical Engineering Department  Faculty of Engineering, Minia University  El‐Minia, Egypt 

2009

Acknowledgments 

 

Acknowledgements    By the name of Allah most merciful, most gracious  All prayers of gratefulness and acknowledgement to the messenger of  Allah  I  would  to  express  my  sincere  appreciation  and  gratitude  to  my  supervisors  Prof. Dr. Mohamed A. A. Wahab  Dr. El­Sayed A. M. Hasaneen  for  their  academic  and  moral  support  and  encouragement  during  the  preparation of this thesis. Their unlimited wise advice guided me all the  way.  Special  thanks  to  my parents.  Without  their  encouragement, I  could  not  continue through my life and studies.  At  last,  I  dedicated  this  piece  of  work  to  my  parents  wishing  they  feel  satisfaction toward me.    

 

 

 

 

 

 

Eng. Mohamed Gamal Ahmed 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

2009 

Abstract 

 

Abstract    Motivated by the merits of low power dissipation, ultra small size and  high  speed,  many  nanoelectronic  devices  have  been  demonstrated  to  ensure  future  progress.  Single  electron  devices  become  one  of  the  most  important  nanoelectronic  devices  due  to  their  interesting  electrical  characteristics  and  behavior.  Many  research  efforts  moved  to  describe  their  electrical  characteristics  to  use  them  with  conventional  electronic  devices. Therefore, this thesis deals with modeling and simulation of such  new electronic devices.  This  thesis  starts  with  describing  single  electron  phenomena  and  discussing  the  most  important  theory  (orthodox  theory  of  single  electronics) used in explanation of single electron devices behavior. With  the  aid  of  orthodox  theory  and  the  basic  idea  of  electron  transport  through  tunnel  junctions,  we  present  an  equivalent  circuit  model  for  single  electron  tunneling  junction  (SETJ)  taking  into  consideration  the  effect of temperature, tunneling resistance and junction capacitance. This  model  is  validated  by  comparing  its  results  with  well  known  single  electron  simulator  SIMON  in  two  simple  standard  circuits  (electron  box  and current biased tunnel junction).  This thesis also presents a study about different modeling techniques  (Master equation and Monte Carlo algorithm) for single electron systems  and  the  usage  of  these  techniques  to  develop  models  for  most  widespread  single  electron  devices.  By  applying  these  techniques  in  order  to  model  the  most  used  single  electron  device  (single  electron  transistor (SET)), one can find that master equation gives better accuracy 

II

Abstract 

 

than  Monte  Carlo  algorithm  and  takes  less  simulation  time.  Thereafter,  many  research  efforts  have  been  done  to  develop  accurate  models  for  SET using these techniques. These models take limited conditions in SET  modeling  to  avoid  numerical  solution  which  cannot  be  implemented  in  SPICE simulators.  A  new  developed  model  for  SET  is  also  presented.  This  model  is  accurate for large range of bias voltage with any type of biasing. It takes  the  effect  of  background  charges.  It  is  implemented  on  SPICE  to  enable  simulation  with  other  electronic  components  like  MOS  devices.  It  is  validated  with comparing the results  of  symmetric and asymmetric SET  device characteristics with SIMON simulator.   Finally, some single electron circuits are studied and simulated using  our  proposed  model.  These  circuits  are  single  electron  inverter,  NAND  and OR gates.       

III

Table of Contents 

 

Table of Contents    Acknowledgements ............................................................................................................. I  Abstract .................................................................................................................................. II  Table of Contents ............................................................................................................... IV  List of Figures .................................................................................................................... VII  List of Symbols ...................................................................................................................... X  Chapter 1 Introduction ..................................................................................................... 1  1.1 Scope of the present thesis .................................................................................. 2  Chapter 2 Single‐Electronics Overview ..................................................................... 5  2.1 Introduction ............................................................................................................... 5  2.2 Basic physics and scaling ...................................................................................... 5  2.3 Observation of Coulomb blockade oscillation ............................................. 7  2.3.1 Electron box circuit .......................................................................................... 8  2.3.2 Current biased tunnel junction ................................................................... 9  2.4 Orthodox theory .................................................................................................... 10  2.5 Single electron devices ....................................................................................... 13  2.5.1 Single electron transistor ........................................................................... 13  2.5.2 Single electron turnstile ............................................................................. 14  2.5.3 Single electron pump ................................................................................... 14  2.5.4 Single electron array .................................................................................... 15  2.6 Applications of single electron devices ....................................................... 15  2.6.1 Electrometer .................................................................................................... 15  IV

Table of Contents 

 

2.6.2 Single electron memory .............................................................................. 16  2.7 Design issues ........................................................................................................... 17  2.7.1 Top‐down design issues ............................................................................. 17  2.7.2 Bottom‐up design issues ............................................................................ 17  2.8 Summary ................................................................................................................... 18  Chapter 3 Literature Review ....................................................................................... 19  3.1 Introduction ............................................................................................................ 19  3.2 Basics of single‐electronics ............................................................................... 19  3.3 Modeling and simulation techniques ........................................................... 21  3.4 Modeling of single electron tunnel junction .............................................. 22  3.5 Modeling of single electron transistor ......................................................... 23  3.6 Summary ................................................................................................................... 27  Chapter 4 Equivalent Circuit Model for Single Electron Tunneling  Junction ................................................................................................................................. 28  4.1 Introduction ............................................................................................................ 28  4.2 Single electron tunneling junction model ................................................... 29  4.3 Proposed SETJ circuit simulation model ..................................................... 31  4.4 Simulation results ................................................................................................. 33  4.5 Summary ................................................................................................................... 37  Chapter 5 Single Electron Circuit Simulation Methods .................................... 38  5.1 Introduction ............................................................................................................ 38  5.2 Free energy of an arbitrary circuit ................................................................ 39  5.2.1 Notation ............................................................................................................. 39 

V

Table of Contents 

 

5.2.2 Electrostatic energy ...................................................................................... 41  5.3 Master equation method .................................................................................... 43  5.4 Monte Carlo Method ............................................................................................ 47  5.5 Summary ................................................................................................................... 48  Chapter 6 Modeling and Simulation of Single Electron Transistor ............. 50  6.1 Single electron structure and operation ..................................................... 50  6.2 Single electron transistor modeling .............................................................. 58  6.2.1 Master equation ............................................................................................. 58  6.2.2 Monte Carlo Algorithm ................................................................................ 64  6.3 Developed model ................................................................................................... 68  6.3.1 Simulation Results ........................................................................................ 76  6.4 Summary ................................................................................................................... 81  Chapter 7 Single electron Circuits Simulations ................................................... 82  7.1 Introduction ............................................................................................................ 82  7.2 Logic Inverter ......................................................................................................... 82  7.3 Logic NAND Gate ................................................................................................... 85  7.4 Logic OR Gate .......................................................................................................... 87  Chapter 8 Conclusions .................................................................................................... 90  8.1 Conclusions .............................................................................................................. 90  8.2 Recommendations for future work ............................................................... 92  References ........................................................................................................................... 93      VI

List of Figures 

 

List of Figures    Figure    (2.1) 

Page

a)  An  electron  approaching  a  small  uncharged  metallic  sphere  will  feel  a  small  attractive  force  caused  by  its  own  image  charge  in  the  sphere. b) Once the sphere is charged by a single electron, following  electrons will feel a strong repelling Coulomb force. 

6

Single  electron  tunnel  junction.  a)  A  structure.  b)  A  schematic  diagram. 

7

(2.3) 

Two tunnel junctions. a) A structure. b) A schematic diagram. 

8

(2.4) 

An  electron  box  can  be  filled  with  a  precise  number  of  excess  electrons  by  raising  the  bias  voltage V  above  the  threshold  voltage  V . a) Electron box construction. b) Electron box circuit. c) Coulomb  staircase. 

9

Current  biased  tunnel  junction  showing  Coulomb  fluctuations.  a)  Circuit diagram. b) Current as a function of time. 

10

(2.6) 

Single electron transistor. a) A structure. b) A schematic diagram. 

13

(2.7) 

Schematic diagram of single electron turnstile. 

14

(2.8) 

Schematic of the simplest single electron pump. 

15

(4.1) 

The junction impulse model. 

31

(4.2) 

Impulse current passing through the junction within tunneling event. 

31

(4.3) 

The SPICE SETJ model. 

32

(4.4) 

Current‐biased SETJ. 

33

(4.5) 

Simulation  results  for  current  biased  SETJ  compared  with  single  electron simulator SIMON, where IS = 1 µA, Cj = 1 aF. 

34

The  voltage  over  SETJ  as  a  function  of  time  at  different  junction  capacitances, where IS = 1 µA, RT = 1 M. 

34

The  voltage  over  SETJ  as  a  function  of  time  at  current  biased  SETJ  with different tunneling resistances, where IS = 1 µA, Cj = 4 aF. 

35

Electron box circuit. 

36

(2.2) 

(2.5) 

(4.6)  (4.7)  (4.8) 

VII

List of Figures 

(4.9) 

 

Simulation  results  for  electron  box  circuit  compared  with  single  electron simulator SIMON, where Cj = 1 aF, Ccap = 9 aF, RT =1 MΩ. 

36

The  voltage  over  SETJ  as  a  function  of  time  at  electron  box  circuit  with different tunneling resistances, where Cj = 1 aF, Ccap = 9 aF. 

37

Single electron circuit consisting of tunnel junctions, capacitors, and  voltage sources and showing different types of nodes. 

40

A  macro‐node  is  formed  by  a  set  of  voltage  sources  which  are  not  connected to ground. 

42

State  transition  diagram  for  a  jump  process  with   discrete  states  ( 5). 

44

(5.4) 

State transition diagram of a birth‐death process. 

46

(5.5) 

State transition diagram of a Poisson process. 

46

(6.1) 

A schematic diagram of single electron transistor. 

50

(6.2) 

Diagram of tunneling rates for the movement of an electron through  single electron transistor. 

51

(6.3) 

Stability plot diagram for single electron transistor. 

55

(6.4) 

Symmetric  SET  characteristics.  a)   characteristics.  b)    characteristics. The SET device parameters are (  =   = 1  aF,   =  2  aF,   =   =  1  MΩ,  T  =1  K)  biased  under  symmetric  bias  voltage condition. 

56

Asymmetric  SET  characteristics.  a)   characteristics.  b)   characteristics. The SET device parameters are (  =   = 1  aF,   =  2  aF,   =  3  MΩ,   =  100  kΩ,  T  =  1  K)  biased  under  symmetric bias voltage condition. 

57

(6.6) 

Flow diagram for master equation algorithm. 

62

(6.7) 

Simulation  results  from  applying  master  equation  method  on  symmetric SET for a) 5 states. b) 9 states. The SET device parameters  are  (  =   =   =  1  aF,   =   =  100  kΩ,  T  =  1  K)  biased  under  symmetric bias voltage condition. 

63

Simulation  results  from  applying  Monte  Carlo  algorithm  on  symmetric SET for a) 50 random values. b) 500 random values. The  SET device parameters are (CD = CS = CG = 1 aF, RD = RS = 100 kΩ, T = 1  K) biased under symmetric bias voltage condition. 

66

(4.10)  (5.1)  (5.2)  (5.3) 

(6.5) 

(6.8) 

VIII

List of Figures 

(6.9) 

 

Simulation  results  from  applying  Monte  Carlo  algorithm  on  symmetric SET for a) 5000 random values. b) 20000 random values.  The SET device parameters are (CD = CS = CG = 1 aF, RD = RS = 100 kΩ,  T = 1 K) biased under symmetric bias voltage condition. 

67

a) 3D pattern for drain current characteristics with VDS and VGS under  steady state conditions and asymmetric bias voltage. b) Probabilities  of the most probable states under asymmetric bias voltage. 

69

a) 3D pattern for drain current characteristics with VDS and VGS under  steady state conditions and symmetric  bias voltage. b) Probabilities  of the most probable states under symmetric bias voltage. 

71

(6.12) 

Simplified flow chart for our developed model for SET. 

75

(6.13) 

Verification of our model on ID­VDS characteristics at certain  voltage  of VGS for symmetric device (CD = CS = 1 aF, CG = 1 aF, RD = RS = 1 MΩ)  (line: SIMON, + symbol: our model). a) With symmetric bias voltage.  b) With asymmetric bias voltage. 

77

Verification  of our model on ID­VGS characteristics  at certain  voltage  of VDS for symmetric device (CD = CS = 1 aF, CG = 1 aF, RD = RS = 1 MΩ)  (line: SIMON, + symbol: our model). a) With symmetric bias voltage.  b) With asymmetric bias voltage. 

78

Verification of our model on ID­VDS characteristics at certain  voltage  of VGS for asymmetric device (CD = 1 aF, CS = 3 aF, CG = 2 aF, RD = 1 MΩ,  RS  =  2  MΩ)  (line:  SIMON,  +  symbol:  our  model).  a)  With  symmetric  bias voltage. b) With asymmetric bias voltage. 

79

Verification  of our model on ID­VGS characteristics  at certain  voltage  of  VDS  for  asymmetric  device  (CD =  1  aF, CS  =  3  aF,  CG  = 2  aF,  RD  = 1  MΩ,  RS  =  2  MΩ)  (line:  SIMON,  +  symbol:  our  model).  (a)  With  symmetric bias voltage. (b) With asymmetric bias voltage. 

80

(7.1) 

A schematic diagram of a single electron inverter. 

83

(7.2) 

The  input‐output  characteristics  of  the  inverter  calculated  at  4.2K,  27K, and 77K. The simulations performed with SPICE (symbols) are  compared with the ones performed with a conventional Monte Carlo  simulation program SIMON (lines). 

84

(7.3) 

SET NAND schematic diagram. 

86

(7.4) 

Voltage transfer characteristics for a NAND SET. 

87

(7.5) 

SET OR schematic diagram. 

88

(7.6) 

Voltage transfer characteristics for OR SET. 

89

(6.10) 

(6.11) 

(6.14) 

(6.15) 

(6.16) 

  IX

List of Symbols 

 

List of Symbols    Symbol  Description    Unit that denotes to atto‐farad which equal 10‐18 farad 

  Γ 

Tunnel rate through tunnel junction 

Γ 

Rate matrix 

Γ

The transition rate for drain/source tunnel junction in forward/backward  direction 

 

,

The transition rate from state   to state   

Γ   Γ |

 

 

The transition rate from state   to state    Capacitance 

 

Capacitance matrix   

Capacitance of the adjacent capacitor to tunnel junction in electron box  circuit 

 

Drain tunnel junction capacitance 

 

The replacement capacitance that equals the equivalent circuit capacitance 

 

The total capacitance of the conductor   

 

Element of the capacitance matrix which denotes to the capacitance  between conductor   and   

 

The junction capacitance 

 

Source tunnel junction capacitance   

The summation of all capacitances 

 

Time delay 

 

Very small period of time representing the pulse width    Impulse function shifted to     

 

Electron Charge   

 

Electrostatic Energy  Frequency 

X

List of Symbols 

 

Free energy 

 

  A function that rounds the number   to the nearest integer less than or 

equal     

Planck’s constant 

 

Current   

Boltzmann’s constant 

 

Number of states 

 

Number of electrons in the island (state) 

 

Number conductors 

 

Number of charge‐nodes 

 

Number of floating‐nodes   

Number of floating nodes in a macro‐node 

 

Number of macro‐nodes 

 

Number of all nodes except ground node   

The optimum number of electrons in the island 

 

Number of potential‐nodes 

 

State probability vector 

 

State probability vector at  

0  

,

Probability of state 0 at time 

0  0 

 

Probability coefficient 

 

The time dependent occupation probability of state     

Probability density function in state space  The vector of node charges 

   

The transpose of the vector of node charges 

 

Average charge on the junction capacitance 

 

Background charge 

 

Charge vector of charge nodes 

 

The transpose of charge vector of charge nodes 

 

The charge of the floating node   in the macro‐node 

 

The total charge of the macro‐node  XI

List of Symbols 

 

The charge on any conductor   

  ,

 

Charge vector of potential and floating nodes 

,

 

The transpose of charge vector of potential and floating nodes  Random numbers 

r   

Drain tunnel resistance 

 

Source tunnel resistance 

 

Tunneling Resistance  Time of the tunnel event 

τ   

Absolute temperature 

 

Electrostatic energy 

 

the vector on node voltages 

 

Voltage of the island 

 

Voltage difference between nodes 1,2 

 

Critical voltage 

 

Drain voltage 

 

Drain – Source voltage 

 

Gate voltage 

 

Gate – Source voltage  Potential of node   after change 

́   

Potential of node   

 

Tunnel junction voltage 

 

Source voltage 

 

Threshold Voltage 

 

The work done by the voltage sources 

 

Potential vector of charge nodes 

,

 

Potential vector of potential and floating nodes 

,

 

The transpose of potential vector of potential and floating nodes    Potential of a potential node or floating node from which an electron 

,

tunnels 

,

  Potential of a potential node or floating node to which an electron tunnels 

XII

List of Symbols 

 

Change in electrostatic energy 

Δ   ∆

 

The reduction of the free energy of drain tunnel junction in  forward/backward direction 



 

The reduction of the free energy of source tunnel junction in  forward/backward direction 

∆  

Change in free energy 

∆  

Change in electrostatic energy 

XIII

Chapter 1 – Introduction

Chapter 1  Introduction    MOSFET device has been the predominant technology during the past  three  decades  for  semiconductor  industry.  The  advancement  of  IC  industry is largely driven by technology of MOS transistor minimization  which  is  called  MOSFET  scaling  down.  Going  to  high  speed  devices  and  low power consumption makes the scaling down of circuit dimensions of  very  new  technology  is  one  of  the  most  important  topics  of  the  semiconductor  industry.  Nowadays,  MOSFET  scaling  down  nearly  reaches its limit of miniaturization because of some non ideal effects that  change the well known characteristics of MOSFET.  Single‐electronics  comes  to  replace  the  predominant  CMOS  technology. This technology has many benefits and great figure of merits  such as very small size, low power consumption, and high speed. Single‐ electronics reveals new physical effects of charge transport. It implies the  possibility  to  control  the  movement  and  position  of  electron  or  a  small  number of electrons. However, it has several open challenges waiting for  elegant solutions. Single electron tunneling devices have the problems of  high  output  impedance,  high  sensitive  to  background  charges  and  low  voltage  gain.  There  is  a  solution  for  these  problems  by  using  hybrid  technology  (single  electron  technology  with  CMOS  technology).  Thus,  there is a growing need for models of single electron tunneling devices to  precisely determine its performance.  From the beginning of the last decade to nowadays, there was a steady  rise  in  published  work  in  this  area.  Several  sophisticated  numerical  1

Chapter 1 – Introduction

simulators  (i.e.  SIMON  [1],  KOSEC  [2],  SECS  [3],  and  MOSES  [4])  were  developed to precise model single electron systems. These simulators are  accurate  but  they  cannot  be  used  in  circuit  simulators  with  other  electronic components and usually extremely time consuming when the  simulation  involves  high  temperature  operation,  current  biased  single  electron  device,  or  any  single  electron  circuit  including  a  resistance  [5].  Therefore, SPICE models for single electron devices are needed to enable  simulation with other electronic components.  The smallest element in single electron devices is the tunnel junction.  All  single  electron  devices  consist  of  tunnel  junctions  connected  to  capacitors or resistors. So many researchers tried to model these tunnel  junctions  thinking  that  they  might  describe  the  operation  of  all  single  electron devices. Contrarily, modeling of tunnel junctions cannot describe  the  operation  of  single  electron  devices  because  of  charge  sharing  between different nodes. Thus, they moved to model the most used single  electron devices.  Single electron transistor can be considered the most common single  electron  device  because  SET  is  conceptually  simple  and  shows  several  interesting  features  in  its  electrical  characteristics.  Therefore,  many  research efforts on developing SPICE models for SET have been proposed  [5‐16].  These  models  enable  the  integration  between  CMOS  technology  and single electron technology. 

1.1 Scope of the present thesis  This  thesis  presents  simulation techniques  used  in  single‐electronics.  It  contains  a  new  developed  SPICE  model  for  single  electron  tunnel  junction. This model is able to describe the motion of electrons through 

2

Chapter 1 – Introduction

the  tunnel  junction.  The  effect  of  temperature,  tunneling  resistance  and  junction capacitance is included in this model. This thesis also contains a  new  analytical  model  for  single  electron  transistor.  This  model  can  be  implemented  in  SPICE.  It  was  proved  to  work  with  a  good  accuracy  within a large voltage range with any type of biasing.  This  thesis  is  divided  into  eight  chapters  and  list  of  references.  Its  organization is as follows:   Chapter  2:  In  this  chapter,  there  is  an  overview  about  physics  of  single‐electronics  and  its  basic  operating  principles.  It  also  contains  an  overview  about  orthodox  theory  of  single‐electronics,  different  single  electron  devices,  and  applications  of  single  electron  devices.  Design  issues for single electron technology are also included.  Chapter 3: This chapter gives a literature review about the physics of  single‐electronics and the different techniques used in simulation. It also  contains  a  literature  review  about  modeling  of  single  electron  tunnel  junction and single electron transistor.   Chapter  4:  This  chapter  presents  the  proposed  equivalent  circuit  model  for  single  electron  tunnel  junction  taking  into  consideration  the  effect  of  temperature,  tunneling  resistance,  and  junction  capacitance.  It  also  presents  the  validation  of  the  proposed  model  with  well  known  simulator SIMON.  Chapter  5:  Different  modeling  techniques  used  in  simulating  single  electron  devices  are  presented  in  this  chapter.  These  techniques  are  master equation and Monte Carlo algorithm.  Chapter 6: In this chapter, SET device construction and characteristics  are discussed. Different modeling techniques like Monte Carlo algorithm  3

Chapter 1 – Introduction

and master equation are applied to model SET device. A new developed  analytical model for SET device is presented in this chapter which can be  implemented  in  SPICE.  Finally,  the  validation  of  proposed  model  with  SIMON  simulator  for  different  SET  parameters  and  different  types  of  biasing are presented in this chapter.  Chapter  7:  In  this  chapter,  the  proposed  SET  model  is  used  to  simulate  SET  circuits.  These  circuits  are  SET  inverter,  NAND  and  OR  gates.   Chapter  8:  This  chapter  presents  the  main  conclusions  which  have  been extracted from the present thesis and also the recommendations for  future work.   

4

Chapter 2 – Single‐Electronics Overview

Chapter 2  Single­Electronics Overview    2.1 Introduction  Single‐electronics implies the possibility to control the movement and  position  of  a  single  electron  or  a  small  number  of  electrons.  Therefore,  the  current  through  the  device  is  quantized.  Actually,  single  electron  transport  appears  from  investigations  on  a  device  known  as  the  tunnel  junction,  formed  by  two  metal  electrodes  separated  by  a  thin  insulator.  According  to  quantum  mechanics,  a  single  electron  has  a  small  probability  of  passing  through  the  thin  insulator.  This  phenomenon  is  called tunneling.   Therefore, in this chapter, there is an overview about physics of single‐ electronics and its basic operating principles. It also contains an overview  about  orthodox  theory  of  single‐electronics,  different  single  electron  devices,  and  applications  of  single  electron  devices.  Design  issues  and  different  fabrication  techniques  for  single  electron  technology  are  also  included. 

2.2 Basic physics and scaling  The  fundamental  concept  behind  single  electron  devices  can  be  explained  by  considering  an  uncharged  small  metallic  sphere  with  a  radius 1 nm. Let such a small sphere be initially electro‐neutral “i.e. it has  exactly  as  many  electrons  as  it  has  protons  in  its  crystal  lattice”.  If  it  is  charged with a single electron as shown in Fig. (2.1), the electric field on  the surface of the sphere in vacuum will become very large because it is  5

Chapter 2 – Single‐Electronics Overview

  Fig. (2.1):  a) An electron approaching a small uncharged metallic sphere will feel a  small  attractive  force  caused  by  its  own  image  charge  in  the  sphere.  b)  Once  the  sphere  is  charged  by  a  single  electron,  following  electrons  will  feel  a  strong  repelling Coulomb force. 

inversely proportional to the square of the island size [17]. This electric  field results in a remarkably large repelling force for any other electron  which wants to approach the sphere. This phenomenon makes it possible  to separate a single electron in a solid state structure. To be more precise,  a single electron is not isolated, because there are many other electrons  in the electron cloud around the metallic sphere. But one single electron  has  been  precisely  added  to  the  electrically  neutral  sphere.  Meaning  there are a control over single electrons and a manipulation of them with  single electron precision.  The  theory  behind  single  electron  phenomenon  shows  that  the  associated charging energy 

⁄2  for a single electron with charge 

e is the adequate measure to describe single electron transfer and related  effects.  Thus,  if  the  involved  capacitances  are  small  enough,  charging  energies will be dominating.  

6

Chapter 2 – Single‐Electronics Overview

  Fig. (2.2):  Single electron tunnel junction. a) A structure. b) A schematic diagram. 

2.3 Observation of Coulomb blockade oscillation  Coulomb  blockade  oscillations  can  be  observed  in  charging  tunnel  junction  which  is  the  smallest  unit  cell  in  single  electron  devices.  It  consists of two electrodes separated by a thin insulator as shown in Fig.  (2.2). The only way for electrons to move across the tunnel junction is to  tunnel  through  it.  Although  tunneling  is  a  probability  distribution  function, electrons tunnel across the tunnel junction in a discrete manner  [18].  Another  example  to  observe  Coulomb  blockade  oscillations  is  in  a  Coulomb  island  which  is  formed  by  connecting  two  tunnel  junctions  together  as  shown  in  Fig.  (2.3).  No  electron  can  reside  on  the  island  unless its kinetic energy exceeds the Coulomb energy of the island which  is known as the Coulomb blockade.   The conditions which control the movement of electric charge through  a conductor are required to be well known to understand single electron  transfer.  There  are  free  electrons  at  the  atomic  nuclei  which  are  free  to  move  through  the  system.  The  current  through  the  conductor  can  be  represented by the charge transferred per time. This transferred charge  can  take  any  value,  in  particular,  a  fraction  of  the  charge  of  a  single  electron. Hence, it is not quantized. 

7

tio n ul a

metal

ins

ula

island

ins

metal

tio n

Chapter 2 – Single‐Electronics Overview

(b)

(a)

 

Fig. (2.3):  Two tunnel junctions. a) A structure. b) A schematic diagram. 

Placing  a  tunnel  junction  in  an  ordinary  conductor  restricts  the  current  flow  which  results  in  a  quantized  current.  Thus,  electric  charge  will  move  through  the  system  by  both  a  continuous  and  a  discrete  process.  Since  only  discrete  electrons  can  tunnel  through  junctions,  charge  will  accumulate  at  the  surface  of  the  electrode  against  the  isolating  layer,  until  a  high  enough  bias  has  built  up  across  the  tunnel  junction. Then one electron will be transferred by tunneling. Electron box  circuit and current biased tunnel junction are the simplest circuits which  demonstrate Coulomb blockade oscillation.   2.3.1 Electron box circuit  A single electron box [17] can be considered the simplest circuit which  exhibits  single  electron  charging  effects.  The  single  electron  box  is  not  just easy to understand but it is also relatively simple to manufacture and  measure  in  the  laboratory.  It  consists  of  a  metal  granule  placed  in  an  oxide  between  two  conductors  as  shown  in  Fig.  (2.4a).  The  granule  is  closer  to  one  of  the  conductors  than  the  other  conductor.  Thus,  this  structure  can  be  described  as  a  tunnel  junction  connected  with  a  capacitor  in  series  as  shown  in  Fig.  (2.4b).  The  top  oxide  layer  is  thin  enough  for  electrons  to  tunnel  through  because  it  works  as  a  large  8

Chapter 2 – Single‐Electronics Overview

q(e)

q

6 5 4

Island

Vb

Vb

3 2

oxide

1 Vb

Vth

(a)

(b)

(c)

 

Fig. (2.4):  An electron box can be filled with a precise number of excess electrons  by  raising  the  bias  voltage V  above  the  threshold  voltage V .  a)  Electron  box  construction. b) Electron box circuit. c) Coulomb staircase. 

capacitance.  To  transfer  one  electron  onto  the  granule,  the  Coulomb  energy 

⁄2  has  to  be  taken  into  account.  We  must  observe  that 

the  only  energy  source  available  is  the  bias  voltage   and  neglecting  thermal and other forms of energy. As long as the bias voltage is smaller  than  a  threshold 

⁄ ,  no  electron  can  tunnel  because  not  enough 

energy  is  available  to  charge  the  island.  This  behavior  is  called  the  Coulomb  blockade.  Raising  the  bias  voltage  will  increase  electron  population in the granule in a discrete manner, leading to a staircase like  characteristics shown in Fig. (2.4c).  2.3.2 Current biased tunnel junction  Coulomb  blockade  oscillation  can  be  observed  by  biasing  a  tunnel  junction  with  a  constant  current  source  I  as  in  current  biased  tunnel  junction  circuit  shown  in  Fig.  (2.5a)  [19].  The  so‐called  single  electron  tunneling  oscillations  will  appear  with  frequency 

⁄  as  shown  in 

Fig. (2.5b).  Charges  continuously  accumulate  on  the  tunnel  junction  like  on  a  capacitor until it is energetically favorable for an electron to tunnel. This  9

Chapter 2 – Single‐Electronics Overview

  Fig. (2.5):  Current biased tunnel junction showing Coulomb fluctuations. a) Circuit  diagram. b) Current as a function of time. 

discharges the tunnel junction by an elementary charge e. Similar effects  are observed in superconductors where charge carriers are copper pairs.  ⁄2 , related to the so‐called 

The characteristics frequency becomes  Bloch oscillations. 

2.4 Orthodox theory  The  orthodox  theory  [17]  describes  charge  transport  under  the  influence  of  Coulomb  blockade.  In  order  to  observe  single  electron  phenomena  such  as  single  electron  tunneling  oscillations  and  Coulomb  blockade,  there  are  two  conditions  that  have  to  be  fulfilled.  The  first  condition  confines  that  the  Coulomb  energy  is  higher  than  thermal  energy.  Otherwise  thermal  fluctuations  will  disturb  the  motion  of  electrons  and  will  change  the  quantization  effects  in  a  random  fashion.  The necessary condition is  /2 where 

    

 

 

 

 

 

 

(2.1) 

 is the Boltzmann’s constant and   is the absolute temperature. 

From  the  previous  condition,  it  can  be  observed  that  the  capacitance  C  has  to  be  smaller  than  3  aF  to  observe  charging  effects  at  room  10

Chapter 2 – Single‐Electronics Overview

temperature (300 K), which requires a grain with diameter smaller than  1  nm.  To  use  charging  effects  for  deterministic  logic,  this  will  require  granules below 1 nm diameter for room temperature operation in order  to  raise  the 



 ratio  to  suppress  the  thermal  tail  of  electrons 

overcoming the Coulomb blockade and causing errors [17].   A  second  condition  for  the  observation  of  charging  effects  is  that  quantum  fluctuations  of  the  number  of  electrons  on  an  island  must  be  negligible in order to make electrons well localized on the islands.  This  leads to the requirement that all tunnel junctions must be opaque enough  for electrons in order to confine them on islands. The opacity of a tunnel   which  must  fulfill  the 

junction  is  given  by  its  tunnel  resistance 

following condition for observing discrete charge effects:  ⁄

25813 Ω  

 

 

 

 

 

 

(2.2) 

where   is  Planck’s  constant.  This  should  be  measured  as  an  order  of  magnitude, rather than an exact threshold.  The  main  result  of  the  theory  can  be  formulated  as  follows:  the  tunneling  of  a  single  electron  through  a  particular  tunnel  barrier  is  always  a  random  event,  with  a  certain  rate Γ (i.e.  probability  per  unit  time)  which  depends  solely  on  the  reduction  of  the  free  electrostatic  energy Δ  of  the  system  as  a  result  of  this  tunneling  event  [20].  The  tunnel rate is given by  Γ



  

 

 

 

 

 

 

(2.3) 

The reduction in free energy can be calculated by taking a closer look to  the electrostatic energy of a single electron circuit.  Consider a system with   conductors which has a capacitance matrix  . The charge on any conductor   can be expressed as [17]  11

Chapter 2 – Single‐Electronics Overview

∑ where  the 

  

 

 

 1 , 2 , … … ,

 

 

 

(2.4) 

 denote  the  elements  of  the  capacitance  matrix  and   the 

potential  of  node  .  In  capacitance  matrix,  the  diagonal  elements 

 are 

the total capacitance of the conductor  , and the off‐diagonal elements 

 

are  the  negative  capacitances  between  conductor   and  .  Thus,  the  electrostatic energy   can then be expressed as [17]  ∑ where 





  

 

 

(2.5) 

 is the transpose of the vector of node charges, v is the vector of   is  element   of  the  inverse  of  the 

node  voltages,  and 

capacitance  matrix.  If  the  charge  configuration  changes,  node  voltages  and electrostatic energy will change. The system tunnels from a state of a  higher  electrostatic  energy  to  a  state  of  lower  electrostatic  energy.  The  difference in energy is dissipated as heat. The energy needed to move an  electron to node   is given by [17]      



 

 

 

 

 

 

(2.6) 

Consider  the  case  where  an  electron  tunnels  from  node   to  node  ,  where the initial voltage on node   is   and the initial voltage on node    is  . The change in the energy can be calculated in two stages. The first  stage is to remove an electron from node  , and the second stage is to add  an electron to node  . The total change in electrostatic energy [17] will be  ∆





⁄2    (2.7) 

2

and the change in node voltages can be given by  ́

 ,      ́

  

12

 

 

 

 

(2.8) 

Chapter 2 – Single‐Electronics Overview

Drain Drain

Gate

Gate

island

Source Source (a)

(b)

 

Fig. (2.6):  Single electron transistor. a) A structure. b) A schematic diagram. 

Note  that  the  change  in  electrostatic  energy  depends  only  on  the  difference in voltage between the initial and final nodes plus a term that  is independent of the charge state of the system. 

2.5 Single electron devices  Single  electron  box,  transistor,  turnstile,  pump,  one  and  two  dimensional  array  are  small  devices  on  their  own.  They  can  be  considered  the  fundamental  building  blocks  for  more  elaborate  nanoelectronic circuits.    2.5.1 Single electron transistor  Single  electron  transistor  consists  of  a  small  island  coupled  to  three  electrodes as shown in Fig. (2.6). Source and drain leads  are coupled to  the island by a high resistance tunnel junction and the gate is capacitively  coupled to the island. The SET can be viewed as a single electron box that  has  two  junctions  for  entry  and  exit  of  electrons.  This  is  analogous  to  a  conventional  MOSFET  which  has  channels  replaced  by  tunnel  junctions  (i.e.  source  and  drain  regions  are  connected  to  island  by  tunnel  13

Chapter 2 – Single‐Electronics Overview

  Fig. (2.7):  Schematic diagram of single electron turnstile. 

junctions.). Gate electrode can be used to control number of electrons on  the island.  2.5.2 Single electron turnstile  Geerligs  et  al.  [21]  are  the  first  who  suggested  the  single  electron  turnstile.  The  simplest  turnstile  is  similar  to  SET  in  its  construction  except it has four tunnel junctions as shown in Fig. (2.7). At zero bias, an  electron can be drawn to the central island by increasing the gate voltage.  This  electron  can  enter  from  left  or  right  according  to  the  gate  voltage.  But with  a bias voltage, the symmetry in its operation can be broken. It  makes  electrons  enter  from  one  side  and  exit  from  the  other,  which  means one can realize controlled electron transfer.   2.5.3 Single electron pump  Fig. (2.8) shows the schematic diagram of the simplest single electron  pump.  It  resembles  single  electron  turnstile  except  that  it  has  a  gate  between  each  adjacent  tunnel  junctions,  whereas  the  turnstile  usually  has  a  gate  after  each  block  of  two  junctions.  Single  electron  pumps  are  widely used as a highly accurate current standard and they are used also  for logic and memory applications.   14

Chapter 2 – Single‐Electronics Overview

  Fig. (2.8):  Schematic of the simplest single electron pump. 

2.5.4 Single electron array  Linear or one‐dimensional arrays of tunnel junctions resemble single  electron  transistor  and  double  junction  circuit  in  their  characteristics.  The resistance of the array is the sum of the tunnel junction resistances.  Thus,  the  assumption  of  breaking  one  tunnel  junction  make  the  array  could not be able to conduct. So, two‐dimensional arrays are more stable  because it is composed of a parallel combination of several linear arrays  which give more paths for electrons if a tunnel junction is broken. 

2.6 Applications of single electron devices  Single electron devices have been used in many applications.  They are  used as charge sensing devices in electrometers or memories.  2.6.1 Electrometer  Single  electron  devices  are  charge  sensing  devices.  Its  operation  is  strongly affected by random background charge. When a SET is operated  above Coulomb blockade threshold it forms an electrometer. Even small  amount of background charge can change the Coulomb blockade and thus  alter  working  of  the  SET  device.  The  advantage  of  the  problem  of  background charge is that we can build high sensitive electrometers. This  15

Chapter 2 – Single‐Electronics Overview

change  in  charge  is  detected  by  an  island  of  SET.  The  SET  electrometer  can  be  operated  by  capacitively  coupling  external  charge  source  to  the  gate  of  SET.  For  very  small  changes  in  the  gate  voltage  there  is  a  large  change  in  source  and  drain  current.  This  happens  due  to  large  amplification  coefficient.  Schoelkopf  et  al.  [22]  have  predicted  the  achievable sensitivity value of 10

⁄√Hz. This sensitivity is much better 

than  many  common  electrometers  made  by  MOSFET.  With  such  good  sensitivity we can measure very small amounts of charge. High sensitivity  can  be  achieved  by  increasing  gate  capacitance  but  this  can  reduce  Coulomb energy [17].  2.6.2 Single electron memory  It  is  perhaps  one  of  the  interesting  applications  of  SET.  It  stores  information  by  predicting  presence  and  absence  of  an  electron  on  an  island.  Tiwari  and  Lingjie  [23,  24]  independently  demonstrated  single  electron memory which stores information in the form of one electron in  two different publications.  They used gate electrode to inject single electron to island and this can  modulate  drain‐source  current.  They  fabricated  memory  element  by  having  one  or  several  nano‐particles  embedded  in  thin  layer  of  silicon  dioxide insulator. Finally, source, drain and gate electrodes are fabricated  around nano‐particles. Tiwari’s structure demonstrated read/write time  of 20ns with a lifetime of more than 109 cycles and can retain information  ranging from few days to several weeks.  Another way to construct a memory element is by considering 1 bit =  1  electron,  then  an  array  of  4‐7  single  electron  transistors  can  be  used  and positions of single electrons in an array will define different memory 

16

Chapter 2 – Single‐Electronics Overview

states  [25].  The  practical  limitation  of  such  a  memory  is  fabrication.  If  this type of memory is realized, it will be very much advantageous over  CMOS.  This  can  be  proved  to  be  advantages  when  time  comes  for  integration of SET to form logic gates. 

2.7 Design issues  The fundamental design aspect in single‐electronics is that individual  electrons will be manipulated instead of currents. This will lead to design  complexity. The complexity arises if we realize that we have to cope with,  or even to exploit, the typical properties like inaccuracies and stochastic  behavior,  that  inherently  go  hand  in  hand  with  decreasing  dimensions.  The  design  complexity  has  to  be  tackled  from  two  approaches:  a  top‐ down structured design and a bottom‐up structured design [26].  2.7.1 Top­down design issues  The  top‐down  design  focuses  on  the  interdependencies  of  the  design  choices made at different functional levels. Especially, the application of  appropriate signal definition, the choice of what functions at which level  to implement and the use of redundancy, adaptively or neural networks  are  most  important  nanoelectronic  issues.  The  necessity  of  a  top‐down  approach  comes  from  a  number  of  reasons.  First  there  are  the  uncertainties  and inaccuracies  caused by  quantum  effects  or just  by  the  imperfection  due  to  the  nanofabrication  technology.  In  general,  these  uncertainties and inaccuracies have to be tackled at different levels in the  design. We have the choice to try to avoid them or to cope with them.   2.7.2 Bottom­up design issues  A  design  methodology  only  followed  the  top‐down  approach  will  result  in  functional  blocks  that  have  to  be  implemented  with  nano‐ 17

Chapter 2 – Single‐Electronics Overview

devices  not  necessarily  exploiting  the  specific  properties  of  the  devices.  The  choice  of  functional  blocks  is  based  on  existing  circuit  design  paradigms that often do not fully take into account the new possibilities  of the nanoelectronic devices. Complementary, a bottom‐up approach can  exploit  from  the  lowest  level  capabilities  of  the  nano‐devices.  Such  an  approach  can  try  to  use  the  discrete  character  of  the  single  electron  tunneling  process  and  its  stochastic  behavior.  As  it  is  usually  done  in  a  bottom‐up design strategy, we start with the basic physics describing the  device.  From  this  level,  we  are  able  to  propose  circuit  elements,  or  equivalent  sub‐circuits  that  approach  physical  equations  in  certain  domains  of  signal  processing.  Those  circuit  elements  and  sub‐circuits  form  the  basis  for  circuit  analysis,  circuit  synthesis  and  SPICE‐like  transient simulation. 

2.8 Summary  In this chapter, an overview on the basic phenomena of single electron  tunneling  has  been  discussed.  Orthodox  theory  of  single‐electronics  described the charge transport under the influence of Coulomb blockade  and gave the conditions needed for observing single electron phenomena  such  as  single  electron  tunneling  oscillations  and  Coulomb  blockade.  After taking an overview on orthodox theory, one can conclude that the  tunneling  phenomena  strongly  depend  on  the  energy  argument  in  the  circuit.   Most  used  single  electron  devices  have  been  presented  showing  its  simple  construction.  One  can  see  that  the  basic  element  for  single  electron  devices  is  the  single  electron  tunnel  junction.  Then,  important  applications and design issues have also been discussed in this chapter.  

18

Chapter 3 – Literature Review

Chapter 3  Literature Review    3.1 Introduction  Nowadays, Modeling of single electron devices is one of the important  topics  that  researchers  are  interested  with.  Numerical  methods  were  applied to model single electron devices then they were implemented in  single  electron  simulators.  These  simulators  are  used  to  simulate  single  electron devices only. Thus, many researchers moved toward developing  SPICE  models  to  enable  simulation  with  other  electronic  components.  Most  of  these  models  were  developed  from  master  equation  or  Monte  Carlo algorithm.  In  this  chapter,  a  literature  review  of  different  single  electron  simulation  techniques,  modeling  of  SETJ,  and  modeling  of  SET  has  been  illustrated. 

3.2  Basics of single­electronics  The shrinking of electronic devices dimensions to the nanometer size  accelerated  semiconductor  roadmap  towards  nanotechnology  [27]  and  thus,  quantum  mechanical  effects  ought  to  be  considered  in  transistor  operation [28, 29]. Single electron technology is not so different to CMOS  technology  [30].  It  can  be  used  to  design  similar  system  like  those  designed with CMOS technology, but it is based on different phenomena.   As  a  result  of  working  in  nanometer  size,  orthodox  theory  of  single‐ electronics  [31]  was  mentioned  to  describe  the  charge  transport  under  the  influence  of  Coulomb  blockade.  A  year  after,  Fulton  and  Dolan  [32]  19

Chapter 3 – Literature Review

had  observed  unusual  structure  and  large  electric  field  induced  oscillations  in  the  current  voltage  curves  of  small‐area  tunnel  junctions  arranged  in  a  low  capacitance  multiple  tunnel  junction  configuration.  This behavior arises from the tunneling of individual electrons charging  and  discharging  the  capacitor.  This  leaded  them  to  discover  single  electron transistor device.   After  the  discovery  of  single  electron  transistor,  there  are  many  research  efforts  in  energy  quantization  were  developed.  Geerligs  et  al.  [21]  had  studied  the  conductance  of  linear  arrays  of  two  and  three  normal metal small tunnel junctions for bias voltage below the Coulomb  blockade threshold.  Wan et al. [33] derived a simple analytical formula for the differential  conductance  of  a  double  junction  containing  a  small  grain  under  the  conditions of Coulomb blockade.  Hanna et al. [34] reported a measurement of the Coulomb staircase in  a two‐junction system where the fractional residual charge on the central  electrode  is  varied  without  an  external  electrode.  They  presented  a  simple  analytical  equation  for  the  current  passing  through  these  junctions.   Within that progress, Scott‐Thomas et al. [35] discovered accidentally  the first semiconductor single electron transistor as reported by Kastner  [36].  After  describing  the  behavior  of  single  electron  devices,  researchers  move  toward  making  a  review  about  single  electron  devices  and  its  application  and  modeling  [18,  20,  37].  Thereafter,  Wasshuber  came  to  give overall view on single‐electronics in his book [17]. He presented an 

20

Chapter 3 – Literature Review

overview about the theory of single‐electronics, the simulation methods  and  numerical  algorithms,  single  electron  devices  and  its  applications,  random  background  charges,  manufacturing  methods  and  material  systems.  After  this  huge  progress  in  this  field,  more  papers  [26,  38‐40]  were  published to discuss circuit design techniques and the challenges in this  technology. 

3.3 Modeling and simulation techniques  Wasshuber  [17]  presents  the  most  used  two  numerical  solutions  for  single electron systems (Monte Carlo algorithm and Master Equation) in  his  book.  He  discussed  in  his  Ph.D.  thesis  [41]  the  developing  of  a  new  single  electron  simulator  SIMON  [1].  SIMON  simulator  is  based  on  a  Monte  Carlo  algorithm.  It  allows  transient  and  stationary  simulation  of  arbitrary  circuits  consisting  of  tunnel  junctions,  capacitors,  and  voltage  sources of three kinds: constant, piecewise linearly time dependent, and  voltage  controlled.  Co‐tunneling  can  be  simulated  either  with  a  plain  Monte  Carlo  algorithm  or  with  a  combination  of  the  Monte  Carlo  and  master equation approach.   Fonseca  et  al.  [42]  described  a  new  and  efficient  method  for  the  numerical study of the dynamics and statistics of single electron systems  presenting arbitrary combinations of small tunnel junctions, capacitances  and  voltage  sources.  This  method  is  based  on  numerical  solution  of  a  linear  matrix  equation  for  the  vector  of  probabilities  of  various  electric  charge states of the system, with iterative refining of the operational set  of states. This method is able to describe very small deviations from the  “classical” behavior of a system, due to the finite speed of applied signals, 

21

Chapter 3 – Literature Review

thermal  activation,  and  macroscopic  quantum  tunneling  of  charge  (co‐ tunneling). Then, they used it to develop a new program (SENECA) [43]  for simulation of single electron systems.  The most recent single electron simulator (SECS) [3] is developed by  Zardalidis et al. The stochastic nature due to tunneling is incorporated in  the  simulation  of single electron circuits  using  the  Monte  Carlo  method.  The novelty of the SECS system is that it provides the behavior of single  electron  circuits  in  an  actual  time  scale.  This  facilitates  the  study  of  the  phenomena that take place at an arbitrary single electron circuit.  

3.4 Modeling of single electron tunnel junction  Many  research  efforts  have  been  moved  toward  developing  SPICE  models for SETJ to enable simulation of single electron devices with other  electronic elements.  Hoekstra [44] discussed the impulse circuit model for the SETJ. Then,  van de Haar et al. [45, 46] improved the impulse model. They expressed  the condition for tunneling as a form of a critical voltage instead of free  electrostatic  energy  dependence.  Klunder  and  Hoekstra  [19,  47]  gave  a  general  derivation  of  the  critical  voltage  based  on  local  voltage  conditions. They described the electrical behavior of the tunnel junctions.  They presented two possible ways to excite a junction or a combination  of  junctions,  namely  excited  by  a  current  or  voltage  source.  Then,  Hoekstra  and  van  de  Haar  [48]  developed  a  semi‐classical  physical  hot  electron model for metallic single electron tunneling circuits.  Hänggi  et  al.  [49]  verified  by  physics‐based  Monte  Carlo  simulations  that the tunneling junction can in fact be modeled by a piecewise linear 

22

Chapter 3 – Literature Review

voltage‐charge relation, which, from the circuit‐theoretic perspective, is a  nonlinear capacitor.  van de Haar and Hoekstra [50‐52] used their SETJ model in simulating  different  single  electron  circuits  like  single  electron  pump  and  SET  and  compared their results with measured data. 

3.5 Modeling of single electron transistor  SET  is  considered  to  be  the  most  used  single  electron  device.  It  has  very interesting electrical behavior. Thus, SET becomes the most studied  single  electron  device.  Some  researchers  moved  toward  making  models  for  it  to  design  large  applications  making  use  of  its  advantages  of  low  power dissipation, small size and high speed.  Mahaptera et al. [7‐9, 53] proposed a quasi‐analytical model for SETs  named  MIB  which  was  validated  by  comparison  with  Monte  Carlo  simulations  in  terms  of  drain  current  and  transconductance.  Their  new  approach is based on the separate modeling of the tunneling and thermal  components  of  the  drain  current,  and  verified  over  two  decades  of  temperature.  Then,  they  improved  the  model  to  include  temperature  dependence,  device  asymmetry  and  background  charge  effects.  They  presented  a  CAD  framework  for  co‐simulation  of  hybrid  circuits  containing  CMOS  and  single  electron  tunneling  devices.  They  used  an  improved version of MIB model to extend it to work for single/multi‐gate  symmetric/asymmetric  device  for  a  wide  range  of  drain  to  source  voltage.  They cooperated with Wasshuber and Vaish [5] to develop MIB  model to work for a larger range of bias voltage and extend it to explain  the  background  charges.  This  model  showed  a  good  agreement  with  Monte Carlo simulator SIMON under symmetric bias conditions only. 

23

Chapter 3 – Literature Review

Lee  et  al.  [54]  and  Yu  et  al.  [55]  developed  a  SPICE  compatible  transient  model  for  SET.  Then,  Yu  et  al.  also  developed  SPICE  macro‐ modeling  techniques  [56‐58]  for  the  compact  simulation  of  single  electron  circuits.  The  macro‐model  of  the  SET,  which  is  much  more  efficient than the corresponding Monte Carlo calculations, was developed  and  can  be  considered  a  reasonably  accurate  tool  for  the  simulation  of  complicated  single  electron circuits. They also  proposed  a new  compact  DC/transient  SET  model  [10]  for  circuit  simulation.  In  this  model,  a  developed equivalent circuit approach had been adopted to build up the  circuit  admittance  matrix.  The  steady  state  and  time  dependent  master  equation  solutions  for  DC  and  transient  analysis,  respectively,  had  been  implemented  for  exact  calculation  of  the  electron  population  in  the  Coulomb island. The derivatives of the probability of electron population  are  explicitly  included  in  the  admittance  matrix.  After  three  years,  they  developed the model and implemented it in SmartSpice [14].   Uchida et al. [59] proposed a compact, physically based, analytical SET  model  suitable  for  the  design  and  analysis  of  realistic  single  electron  tunneling  circuits.  The  model  was  derived  on  the  basis  of  the  orthodox  theory  of  correlated  single  electron  tunneling  and  the  steady‐state  master  equation  method.  The  SET  inverter  characteristics  were  successfully  calculated  using  the  model  implemented  in  the  simulation  program  with  integrated  circuit  emphasis  (SPICE).  The  hybrid  circuit  of  SETs with metal‐oxide‐semiconductor field‐effect transistors (MOSFETs)  was also successfully simulated.  A practical model for SET device was developed by Lee et al. [6] which  is based on the physical phenomena in realistic Si SETs, and implemented  into  a  conventional  circuit  simulator.    In  the  proposed  model,  the  SET  24

Chapter 3 – Literature Review

current calculated by the analytic model was combined with the parasitic  MOSFET characteristics.  Analytical  model  for  asymmetric  SETs,  in  which  resistance  and  capacitance  parameters  of  source/drain  junctions  are  not  equal,  had  been  developed  by  Inokawa  et  al.  [11].  The  model  was  based  on  the  steady  state  master  equation,  taking  only  the  two  most‐probable  charging states into account. Therefore, it is very simple. Even so, it could  accurately reproduce the peculiar behaviors of an asymmetric SET, such  as  the  skew  in  the  drain  current‐gate  voltage  characteristics  and  the  Coulomb  staircase  in  the  drain  current‐drain  voltage  characteristic.  Analytical  expressions  for  the  charge  in  the  Coulomb  island  and  the  capacitance  components  of  the  SET  are  also  derived  according  to  the  same scheme. They demonstrated that the model can precisely describe  the various aspects of the SET behavior.  An exact model for a SET was developed within the circuit simulation  package SPICE by Lientschnig [12] based on the recursion relation. This  model  uses  the  orthodox  theory  of  single  electron  tunneling  and  determines  the  average  current  through  the  transistor  as  a  function  of  the bias voltage, the gate voltage, and the temperature. Circuits including  SETs,  field‐effect  transistors  (FETs),  and  operational  amplifiers  were  simulated. In these circuits, the SETs provide the charge sensitivity while  the FETs tune the background charges and provide gain and low output  impedance.  Zhang  et  al.  [60]  presented  a  simulation  and  design  method  for  complementary  SET  based  nano‐circuits.  An  HSPICE  behavioral  implementation  of  modified  Lientschnig’s  single  electron  transistor  model based on the orthodox theory and the Birth‐Death Markov chain is  25

Chapter 3 – Literature Review

demonstrated  and  verified  with  Coulomb  characteristics.  It  showed  a  reduced CPU time and more compatibility with other SPICE softwares on  both Windows and Unix.  Jia  et  al.  [13]  and  Chaohong  et  al.  [61]  presented  an  analytic  current  model for capacitively coupled SETs that is based on a modified M‐state  steady‐state  master  equation.  Based  on  this  current  model,  they  also  derive a current noise model for SETs.   A  compact  and  analytical  model  for  silicon  SETs  considering  the  discrete quantum energy levels and the parabolic tunneling barriers was  proposed  by  Miyaji  et  al.  [15].  The  model  was  based  on  a  steady  state  master  equation  that  considers  only  the  three  most  probable  states  derived from ground level and the first excited level for each number of  electrons  in  the  dot  to  reduce  the  complexity  while  accounting  for  the  quantum‐level  spacing  and  multiple  peaks  in  Coulomb  oscillation.  Negative differential conductance characteristics and aperiodic Coulomb  oscillations  due  to  nonuniform  quantum  level  spacings  can  be  reproduced in this model.  A simplified model for SET was proposed by Abu El‐Seoud et al. [16] to  account for unnecessary lengthy calculation processes, resulting from the  large  number  of  states  assumed  for  simulation.  The  proposed  PSPICE  simplified model was confirmed by comparing its results to the results of  the  available  models,  and  it  showed  a  good  agreement  with  them.  This  model takes much less runtime than the available models and can easily  be used to simulate SET‐based integrated circuits on SPICE.  Boubaker  et  al.  [62]  and  Troudi  et  al.  [63]  presented  simulations  of  SET  output  characteristic  using  Maple  [64].  Typical  SET  I–V  characteristics and charge energies curves were presented by developing  26

Chapter 3 – Literature Review

Maple  programs.  They  developed  a  new  model  without  considering  quantum  effects  using  the  superposition  theorem,  transfer  function  and  Laplace  transformer.  They  proposed  a  new  block  using  SIMPLORER  7.0  simulator [65] to modulate quantum effects in the SET island. This model  is based on a parallel analog‐digital converter. 

3.6 Summary  In  this  chapter,  a  literature  review  of  different  single  electron  simulation  techniques,  modeling  of  SETJ,  and  modeling  of  SET  has  been  illustrated. After this review, we can make use of these research efforts in  describing the basics of single‐electronics to find theories and equations  that describe the movement of electrons through tunnel junctions.   Also,  we  can  conclude  that  equivalent  circuit  models  for  SETJ  are  based on impulse circuit model. Thus, a new equivalent circuit model for  SETJ  is  required  to  describe  the  electron  transport  taking  into  consideration the effect of junction capacitance, tunneling resistance and  temperature.  On  the  contrary,  SET  modeling  uses  different  techniques  (master  equation  or  Monte  Carlo  algorithm).  All  these  models  were  developed  from  solving  master  equation  or  applying  Monte  Carlo  algorithm for limited value of biasing voltage. All these models work with  a  good  accuracy  under  symmetric  bias  conditions  only.  Thus,  modeling  and  simulation  of  single  electron  devices  with  other  electronic  components  requires  a  new  developed  model  for  SET  that  works  with  good accuracy within large range of biasing voltage under symmetric or  asymmetric bias conditions. This model should be implemented on SPICE  to enable simulation with other conventional circuit elements.  

27

Chapter 4 – Equivalent Circuit Model for Single Electron Tunneling Junction

Chapter 4  Equivalent Circuit Model for Single Electron  Tunneling Junction    4.1 Introduction  Today,  there  are  a  couple  of  different  definitions  of  nanoelectronics.  From  the physics  point  of  view,  nanoelectronics often deal  with  circuits  including nanoelectronic devices whose dimensions have reached such a  small  length.  The  wave  nature  of  the  electrical  carriers  cannot  be  neglected and that device and circuit simulations for essentially classical  device  structures  are  confronted  with  a  real  quantum  mechanical  description  rather  than  with  classical  models.  From  the  electrical  engineering  point  of  view,  nanoelectronics  is  understood  merely  as  the  electronics  based  on  nanoelectronic  devices  which  utilize  quantum  mechanical  phenomena.  They  have  to  be  described  with  semi‐classical  models to make circuit synthesis possible.  The main quantum property in single electron devices is the tunneling  which  deals  with  electron  penetration  of  a  potential  barrier  having  a  higher  energy  level  than  the  kinetic  energy  of  the  electron  approaching  the barrier. Quantum mechanics introduces a finite possibility for finding  the  electron  at  the  other  side  of  the  barrier.  Any  single  electron  circuit  can be described by discrete charge transfer through the tunnel junctions  (barriers)  and  by  continuous  charge  transport  along  the  rest  of  the  circuit.  Tunnel  junction  modeling  is  based  on  electronic  concept  rather 

28

Chapter 4 – Equivalent Circuit Model for Single Electron Tunneling Junction

than  the  orthodox  theory  of  single‐electronics  which  is  basically  a  physical description of the circuit.  Single  electron  tunneling  junction  is  the  basic  element  in  single  electron  devices.  It  consists  of  two  conductors  separated  by  a  tiny  gap,  typically  a  few  nanometers.  Recently  few  research  efforts  on  the  SPICE  model of SETJ have been proposed [45, 46, 48].   In  this  chapter,  we  present  a  SPICE  model  based  on  the  realistic  physical  phenomena  of  single  electron  tunneling.  It  is  able  to  explicitly  describe  the  effect  of  the  tunneling  resistance,  junction  capacitance  and  temperature  variation.  Single  electron  circuits  are  simulated  using  the  proposed SPICE model and verified with the results from published data  which were simulated by Monte Carlo Simulator SIMON 

4.2 Single electron tunneling junction model  Orthodox theory of single‐electronics is used to describe the tunneling  of  an  electron  in  the  single  electron  devices  based  on  the  free  electrostatic energy. If a single electron is injected by tunneling through  the energy barrier of the insulating layer, it may prevent the tunneling of  additional  electrons  and  the  system  is  said  to  be  in  Coulomb  blockade.  The  charge  of  the  junction  changes  from  /2 to 

/2 within  tunneling 

event (where e is the electron charge). The tunneling of a single electron  is  always  a  random  event,  with  a  certain  rate Γ that  depends  on  the  change  in  free  electrostatic  energy Δ  of  the  system.  The  tunneling  rate  as  in  Eq.  (2.3)  is  a  function  of  the  junction  capacitance  ,  tunneling  resistance  Γ

, and temperature   and is given by   ⁄

  

 

 

29

 

 

 

 

(4.1) 

Chapter 4 – Equivalent Circuit Model for Single Electron Tunneling Junction

The tunneling event is a strong function in the  energy argument that  occurs  when  the  change  of  junction  energy  between  the  time  immediately  before  and  the  time  immediately  after  the  tunnel  event  is  positive.  The  change  in  free  energy  can  be  calculated  by  the  method  of  critical  voltage  described  by  Geerligs  et  al.  [21].  The  change  of  the  junction free energy [66] can be expressed as   

∆            

 

 

 

 

 

 

(4.2) 

 

 

 

  

(4.3) 

                                  ⁄

                        

 

where  Q  is  the  average  charge  on  the  junction  capacitance  and   is  the  junction  capacitance.  The  general  relation  for  the  critical  voltage  of  the  tunneling junction [47] is given by                              where 

 

 

 

 

 

(4.4) 

 is  the  replacement  capacitance  that  equals  the  equivalent 

circuit capacitance.   Single  electron  tunneling  devices,  included  in  a  circuit,  can  be  described  by  a  discrete  charge  transfer  through  the  tunnel  barriers  coexisting with a continuous charge transfer along the rest of the circuit.  Therefore,  the  SETJ  can  be  modeled  by  the  impulse  model  as  shown  in  Fig. (4.1). The current source used in the impulse model is used to feed  the  junction  with  one  electron  when  the  tunnel  condition  occurs.  An  electron tunnels from source to drain when the voltage over the junction  exceeds the critical voltage 

 that is given by  30

Chapter 4 – Equivalent Circuit Model for Single Electron Tunneling Junction

e  it  t  t 0 

Cj

  Fig. (4.1):  The junction impulse model. 

                   

 

 

 

 

 

(4.5) 

4.3 Proposed SETJ circuit simulation model  In  our  circuit  simulation  model  [66],  the  effect  of  the  tunneling  resistance  and  temperature  is  included.  The  SETJ  is  modeled  by  a  capacitance connected in parallel with a large resistance to eliminate the  error  generated  due  to  SPICE  connection  rules.  When  the  voltage  over  the  junction  reaches  the  value  of  the  critical  voltage 

,  an  electron 

tunnels  through  the  junction.  The  tunneling  event  of  an  electron  is  modeled by an impulse current   passing through the junction for a very  small period of time 

, where 

 as illustrated in Fig. (4.2). 

Fig.  (4.3)  shows  a  complete  circuit  simulation  model  for  SETJ.  It  consists  of  a  resistor,  capacitor,  voltage  controlled  current  source,  two  hard limiters, time control circuit, and delay element [66]. The detection 

i t 

dtt

t  

Fig. (4.2):   Impulse current passing through the junction within tunneling event. 

31

Chapter 4 – Equivalent Circuit Model for Single Electron Tunneling Junction

Cj

R

+

+

Limiter 1

Limiter 2

-

I +

+

Vcr

delay

-

C R

+ _

0.37 V

IT

Fig. (4.3):  The SPICE SETJ model. 

for tunneling is implemented with a hard limiter function. If the junction  ,  the  output  from  the  first  hard  limiter  will  be 

voltage  is  higher  than 

high.  The  width  of  the  pulse  is  set  by  a  time  control  circuit.  When  the  voltage  across  the  resistor  decreases  to  0.37  V,  the  passed  time  equals  .  The  output  of  the  second  hard‐limiter  is  high  when  the  first   the  output  is  low  again.  The 

hard‐limiter  is  high,  and  after  a  time 

second  hard  limiter  output  pulse  is  fed  into  the  delay  element  to  avoid  convergence  problem  in  SPICE.  The  pulse  is  delayed  with  a  factor 

 



where 

In order to take the effect of tunneling resistance and temperature, we  must  not  ignore  the  current  calculation  at  any  instant  of  time.  It  can  be  calculated by  Γ

Γ

  

 

 

 

 

 

 

 

(4.6) 

where Γ  is  the  tunneling  rate  in  the  forward  direction  and Γ  is  the  tunneling  rate  in  the  backward  direction.  This  value  of  current  can  be  implemented  by  connecting  a  current  source  in  parallel  with  junction  capacitance.   One can see in Eq. (4.1) that the tunneling rate depends on the value of  tunneling resistance  and  temperature. Thus,  this  model  gives  an  overall 

32

Chapter 4 – Equivalent Circuit Model for Single Electron Tunneling Junction

description  of  the  tunnel  junction  taking  into  consideration  all  junction  parameters.  

4.4 Simulation results  In  order  to  validate  our  proposed  SPICE  model,  the  current  biased  SETJ  shown  in  Fig.  (4.4)  has  been  simulated  and  compared  with  single  electron simulator SIMON as shown in Fig. (4.5). The results show a good  agreement.  The  output  voltage  increases  until  it  reaches  the  critical  voltage 

 and, at this instant, it decreases to 

. This event represents 

the  tunneling  of  an  electron.  By  using  a  tunnel  junction  with  junction  capacitance equal to 1 aF, the critical voltage will be 80 mV.  The  tunneling  resistance  and  junction  capacitance  has  a  significant  effect on the output voltage. As the junction capacitance changed from 1  aF to 2 aF the critical voltage changes from 80 mV to 40 mV as shown in  Fig. (4.6). While the tunneling resistance changes from 100 k to 1 M,  the output voltage takes less time to reach the critical value 

 as shown 

in Fig. (4.7).    

Fig. (4.4):  Current‐biased SETJ. 

 

33

Chapter 4 – Equivalent Circuit Model for Single Electron Tunneling Junction

0.08

Output Voltage (V)

0.04

0

-0.04

-0.08 -0.1 0

SIMON 0.2

developed model

0.4

0.6

0.8

Time (s)

1 x 10

-12

Fig. (4.5):  Simulation results for current biased SETJ compared with single electron simulator SIMON, where IS = 1 µA, Cj = 1 aF. 

  0.1 0.08

Output Voltage (V)

0.04

0

-0.04

-0.08 -0.1 0

C = 1 aF

C = 2 aF

j

0.2

j

0.4

0.6 Time (s)

C = 4 aF j

0.8

1 x 10

-12

Fig.  (4.6):    The  voltage  over  SETJ  as  a  function  of  time  at  different  junction capacitances, where IS = 1 µA, RT = 1 M. 

 

34

Chapter 4 – Equivalent Circuit Model for Single Electron Tunneling Junction

0.025 0.02

Output Voltage (V)

0.01

0

-0.01

-0.02 -0.025 0

R = 1 M  T

1

2

R = 100 k 

R = 200 k 

T

3 Time (s)

T

4

5

6 x 10

-13

Fig.  (4.7):    The  voltage  over  SETJ  as  a  function  of  time  at  current  biased  SETJ  with different tunneling resistances, where IS = 1 µA, Cj = 4 aF. 

  Fig.  (4.8)  shows  another  standard  example  (electron  box  circuit)  to  test our proposed model. In this circuit, the input voltage applied to the  circuit is a ramp function which varies from 0 V to 30 mV within a time  period  of  0.6  ps.  The  developed  model  has  been  used  to  simulate  this  circuit  and  then  compare  the  results  with  single  electron  simulator  SIMON as shown in Fig. (4.9). The results show a good agreement.  Fig.  (4.10)  shows  the  effect  of  tunneling  resistance  on  the  output  voltage. One can observe that the tunneling resistance has a great effect  on circuit response.      

35

Chapter 4 – Equivalent Circuit Model for Single Electron Tunneling Junction

     

  Fig. (4.8):  Electron box circuit. 

  0.01 0.008

Output Voltage (V)

0.004

0

-0.004

-0.008 SIMON -0.01 0

0.2

developed model

0.4

0.6

0.8

Time (s)

1 x 10

-12

Fig.  (4.9):    Simulation  results  for  electron  box  circuit  compared  with  single electron simulator SIMON, where Cj = 1 aF, Ccap = 9 aF, RT =1 MΩ. 

 

36

Chapter 4 – Equivalent Circuit Model for Single Electron Tunneling Junction

0.01 0.008

Output Voltage (V)

0.004

0

-0.004

-0.008 -0.01 0

R = 1 M 

R = 100 k 

T

0.2

T

0.4

R = 200 k  T

0.6 Time (s)

0.8

1 x 10

-12

Fig. (4.10):  The voltage over SETJ as a function of time at electron box circuit with different tunneling resistances, where Cj = 1 aF, Ccap = 9 aF.  

4.5 Summary  In  this  chapter,  the  operation  of  single  electron  tunnel  junction  has  been  discussed.  Then,  an  equivalent  circuit  model  for  SETJ  has  been  introduced. This model gives an exact description of the SETJ behavior. It  utilizes  the  concept  of  taking  the  critical  voltage  as  the  condition  for  tunneling. This model is validated with single electron simulator SIMON  upon current biased SETJ and electron box circuits.   

37

Chapter 5 – Single Electron Circuit Simulation Methods

Chapter 5  Single Electron Circuit Simulation Methods    5.1 Introduction  Single electron effects are significant in ultra small dimension devices.  They are the central physical fact for numerous novel types of logic and  memory  circuitry.  Most  single  electron  device  models  are  based  on  the  orthodox  theory  of  the  single‐electronics.  As  mentioned  before,  the  theory assumes that the resistance of the tunnel barriers in the system is  much  greater  than  the  quantum  resistance,  thereby  insuring  that  the  electron is localized within a particular conducting island at  any instant  of  time.  The  orthodox  theory  also  ignores  electron  tunneling  time  through  the  barrier.  Furthermore,  it  neglects  quantization  of  electron  energy within the small conductive island formed by the tunnel junctions.  Much  of  the  quantum  mechanics  are  disregarded  in  most  of  the  commonly  used  models  which  are  based  on  the  orthodox  theory,  and  thus these models are considered semi‐classical.  Some models focus on the statistical nature of the tunneling process of  an  electron  through  a  barrier  which  is  influenced  by  the  electrostatic  energy in the system. The tunneling process occurs at a rate that depends  on  the  resulting  change  in  the  free  energy  of  the  system.  Once  the  tunneling  rates  for  all  junctions  are  known,  Monte  Carlo  simulation  method is used to determine the actual tunneling events that take place,  and  thus  the  random  dynamics  of  single  electron  systems  can  be  simulated.  Monte  Carlo  simulation  method  was  implemented  in  various  programs  such  as  MOSES  [4]  and  SIMON  [1].  It  models  the  underlying  38

Chapter 5 – Single Electron Circuit Simulation Methods

physics of the system giving average quantities needed to determine DC  device characteristics and it also provides the tunneling dynamics needed  for the study of circuit operation.  The  master  equation  is  another  different  single  electron  circuit  simulation method. It was built into simulation programs such as SIMON.  Its approach is only useful in simulating systems having only few tunnel  junctions.  Also,  it  is  not  useful  in  investigating  the  dynamics  of  the  microscopic tunneling events in single electron circuits since it deals only  with averages. In other words, Monte Carlo technique is poor in including  such  effects  as  co‐tunneling,  whereas  the  master  equation  method  is  useful in such cases. The tunneling rates and the change in free energy of  all  relevant  tunnel  events  are  required  to  be  evaluated  in  both  master  equation  and  Monte  Carlo  simulation  methods.  Thus,  the  steps  used  in  calculating these values before and after all possible tunneling events are  implemented in both simulation methods. 

5.2 Free energy of an arbitrary circuit  Before  using  master  equation  or  Monte  Carlo  methods,  input  tunnel  rates  of  relevant  states  must  be  calculated.  The  tunnel  rate  formulas  depend  on  the  change  in  the  free  energy  of  each  tunnel  event  causes.  Thus,  the  first  part  of  a  simulation  is  the  calculation  of  the  free  energy  before and after all possible tunnel events in an arbitrary circuit.   5.2.1 Notation  A  single  electron  arbitrary  circuit  consists  of  capacitors,  tunnel  junctions, voltage sources and current sources that constitute the circuit  branches as shown in Fig. (5.1). Each branch starts and ends at a node.  

39

Chapter 5 – Single Electron Circuit Simulation Methods

  Fig.  (5.1):    Single  electron  circuit  consisting  of  tunnel  junctions,  capacitors,  and voltage sources and showing different types of nodes.  

Node potentials, node charges and branch currents describe the circuit  characteristics.  Kirchhoff’s  laws  are  usually  used  to  calculate  the  unknown  parts  (voltages,  charges  and  currents)  in  the  circuit  by  using  the known parts. A potential node (node 1) is named after a node whose  potential  is known, such  as  the  case of a  node  connected  to a grounded  voltage  source.  A  node  with  known  charge  is  defined  as  a  charge  node.  That  charge  is  known  to  be  either  a  constant  charge  or  a  charge  which  can  change  by  an  integer  of  elementary  charge.  A  charge  node  has  a  constant  charge  if  it  is  connected  to  capacitors  only,  taking  into  consideration that no charge can enter or exit, such as node 6. If a charge‐ node is connected to at least one tunnel junction it can change its charge  by  an  integer  number  of  the  elementary  charge  due  to  electrons  tunneling  onto  and  off  the  node,  such  as  nodes  2  and  4.  Ungrounded  voltage sources that are not connected to other grounded voltage sources  produce floating  nodes  where  neither  the  charge  nor  the  potential  is  known  of  such  nodes.  However,  the  potential  differences  of  all  floating‐ nodes  in  a macro‐node  are  known.  For  example  the  potential  difference  40

Chapter 5 – Single Electron Circuit Simulation Methods

between nodes 3 and 5 is determined by a voltage source. In addition to  the  known  potential  differences  of  floating  nodes  comprising  a  macro‐ node, the charge of the macro‐node is known. The charge of the macro‐ node is the sum of the charges of its floating nodes.  5.2.2 Electrostatic energy  1 nodes 

A single electronic network consists of  ,  where 

 nodes  are  charge  nodes, 

 nodes  are  potential  nodes, 

 

nodes are floating nodes, and one node is the ground node. Subscripts  ,  , and   denote potential node, floating node and charge node quantities  respectively.  Using  the  capacitance  matrix 

,  charge  vector   and 

potential vector   [41] are related by  ,

,

The  sub‐matrices 

,





    

 and 

 

 

 

(5.1) 

 have  dimensions 

,  and 

 respectively. 

matrix is a symmetric matrix. Consequently 

The  capacitance 

 and   are symmetric. The 

unknown quantities of charges on potential nodes and floating nodes and  potentials of charge nodes 

,

,   can be written in terms of the known 

quantities  that  are  the  potentials  on  potential  nodes  and  floating  nodes  and the charges on charge nodes. So it can be reformulated as  ,

,

41

  

 

 

 

(5.2) 

Chapter 5 – Single Electron Circuit Simulation Methods

  Fig.  (5.2):    A  macro‐node  is  formed  by  a  set  of  voltage  sources  which  are  not connected to ground. 

The potentials of the floating nodes are derived from the equations of  the  macro‐nodes,  which  are  the  known  sum  of  charge  of  each  macro‐ node and the individual potential differences given by the voltage sources  comprising a macro‐node shown in Fig. (5.2). The voltage sources give a  set of 

1 equations, where 

node (

4).  1 0    0   

1     0    0 1 1    0 1     0 1

 is the number of nodes in a macro‐

 

 

 

 

 

(5.3) 

With the additional equation for the charge of the macro‐node,  ∑

 



4   

(5.4) 

the  electrostatic  energy  of  a  circuit  can  be  expressed  using  the  relation  which links known charges and potentials with the unknown quantities,  and is given by   ,

,

 

 

 

The work done by the voltage sources is  42

 

 

 

 

(5.5)  

Chapter 5 – Single Electron Circuit Simulation Methods

,



,

min

,

 

,

(5.6) 

where  the  sum  over  Nm  macro‐nodes  considers  the  fact  that  voltage  sources in a macro‐node can only  shift charge relative from the node of  lowest  potential  in  the  macro‐node  and  not  from  ground  level  as  grounded  voltage  sources  do.  The  last  term  in  the  above  equation  considers the work to replace a tunneled electron, since if it tunnels from  or to a potential node or floating node its charge has to be replaced by a  voltage source. With the expression for the electrostatic energy stored in  the circuit, Eq. (5.5), and the work done by the voltage sources, Eq. (5.6),  the free energy [41] is given by the difference of these two quantities.      

 

 

 

 

 

 

 

(5.7) 

The  difference  of  free  energy  before   and  after   a  tunnel  event  is  then given by  ∆

 

   

 

 

 

 

 

 

 

(5.8) 

5.3 Master equation method  The orthodox theory solves the tunnel rates through tunnel junctions  in single electron circuits, but it does not resolve the statistics of electron  transport. The master equation is developed based on two assumptions.  The first assumption is for the transport process in which electrons are  assumed  unable  to  probe  their  past,  and  thus  their  tunneling  rates  depend  only  on  the  momentary  state  of  the  system.  This  is  exactly  the  case of a Markov process which is a stochastic process having the Markov  property  (a  random  process  whose  future  probabilities  are  determined  by  its  most  recent  values).  The  second  assumption  presumes  that  the 

43

Chapter 5 – Single Electron Circuit Simulation Methods

system evolves at random times in a jump like fashion [16]. The master  equation can be expressed as   ,

where  Γ |

Γ | ,

,

|

Γ

,

 

 

 

(5.9) 

 is  the  probability  density  function  in  state  space,  and 

 denotes the transition rate from state   to state  . In the case of 

discrete states, the master equation is reformulated as follows  ∑

Γ

   

Γ

 

 

 

 

(5.10) 

where Γ  denotes  the  transition  rate  from  state   to  state   and 

 is 

the time dependent occupation probability of state  . A state is a specific  charge  distribution  (i.e.  each  node  or  quantum  dot  is  occupied  by  a  certain  number  of  electrons).  Fig.  (5.3)  is  a  typical  state  transition  diagram for such a process.   The  important  aspect  of  this  method  is  to  obtain  the  set  of  relevant  states  that  the  circuit  under  investigation  can  occupy  in  order  to  set  up  the rate matrix   . The states and  their  transition  rates  of  the circuit  is  described  by  a  set  of  differential  equations  which  may  be  written  in  matrix form for m states [17] as follows  Γ

   

 

 

 

 

 

 

 

(5.11) 

  Fig. (5.3):  State transition diagram for a jump process with   discrete states (

44

5).

Chapter 5 – Single Electron Circuit Simulation Methods

∑ Γ

Γ

       Γ       

Γ ∑               Γ

…         …        

Γ



Γ Γ ∑

               

 

(5.12) 

Γ

Single  electron  circuits  with  at  least  one  island  have  a  discrete  but  infinite  number  of  states  because  the  number  of  excess  electrons  is  unbound.  Clearly,  higher  numbers  of  excess  carriers  are  due  to  the  Coulomb  blockade  and  are  exponentially  suppressed  and  are  more  unlikely to exist. It is impossible to filter out the most likely states from  an arbitrary circuit, an adaptive scheme is utilized which starts with the  initial  state  and  calculates  the  tunnel  rates  for  all  possible  transitions.  These rates are used as a zero order estimate for the state probability of  other states reached with these rates as transitions. High transition rates  leads in general to states with high probabilities and vice versa. If the rate  falls under certain threshold, the state will not  be considered. Then, the  master equation is solved with all states that passed the threshold test. In  the next iteration, new states are joined to the set of relevant states and  the  circuit  is  better  described.  This  is  called  a  journey  in  state  space,  starting  at  the  set  of  states  already  found  and  making  steps  into  other  states in state space.  The  master  equation  method  for  the  simulation  of  single  electron  circuits  is  the  general  stochastic  description  of  a  single  electron  circuit.  By  simplification, the  state can  only change to  a  neighboring state since  only  one  electron  is  assumed  to  tunnel  at  a  time.  Processes  with  this  property are called birth‐death processes and are illustrated in Fig. (5.4).  The stationary case, where 

/

0, is a system of linear equations 

which  may  be  solved  by  a  multitude  of  numerical  algorithms.  The  45

Chapter 5 – Single Electron Circuit Simulation Methods

  Fig. (5.4):  State transition diagram of a birth‐death process.   

  Fig. (5.5):  State transition diagram of a Poisson process. 

transient  case  which  is  a  system  of  ordinary  linear  first  order  homogeneous differential equations may be solved either by integrating  Eq.  (5.12)  and  calculating  the  exponential  of  a  matrix  or  by  solving  the  system  of  differential  equations  without  explicitly  forming  the  exponential of the transition rate matrix. It can be expressed as      where 

 

 

 

 

 

 

 

(5.13) 

 is  the  state  probability  vector  and  Γ  is  the  tunneling  rate 

matrix. Hence, the electron transport can be identified.   Assuming  further  that  states  can  evolve  in  one  direction,  this  is  the  case  if  only  tunneling  in  one  direction  is  considered,  and  that  all  states  have  an  equal  transition  rate  to  the  next  state,  which  is  the  case  when  charging  effects  are  neglected.  This  leads  to  the  Poisson  process  which 

46

Chapter 5 – Single Electron Circuit Simulation Methods

starts at 

0 and evolves to higher states as shown in Fig. (5.5). Master 

equation for that process is given by   Γ

Γ

   



0

1   

 

(5.14) 

 

 

(5.15) 

Solving this differential equation gives   

!

 

 

 

 

 

5.4 Monte Carlo Method  The  direct  discrete  stochastic  modeling  of  electron  transport  is  possible between quantum mechanics and classical physics. This is done  by  treating  purely  quantum  mechanics,  analyzing  wave  functions  and  classical physics macro‐model. In macroscopic scale, electrons appear to  transport  in  continuum  fashion.  This  makes  the  Monte  Carlo  simulation  method  prevalent.  Tunnel  events  can  be  accurately  modeled  as  discrete  events. For the Poisson distribution given in Eq. (5.15), the probability of  tunnel event for state 0 takes place at  is      

 

 

 

 

 

 

 

(5.16) 

 

(5.17) 

The Monte Carlo procedure for calculating τ depends on   

 

 

 

 

 

 

 

where r is a random number that is constructed in the interval  0,1 .   Starting  from  a  list  of  all  possible  tunnel  events  with  their  particular  tunneling rates, random tunnel times   are computed for all events. The  event  with  the  smallest   will  happen  first  and  thus  is  taken  as  the  winner.  Node  charges  are  updated  according  to  the  computed  tunnel  event,  which  updates  node  potentials.  The  current  is  a  charge  per  time  interval  and  is  directly  computed  from  the  winning  tunnel  events.  Each  47

Chapter 5 – Single Electron Circuit Simulation Methods

tunnel  event  transports  an  electron  along  a  certain  path.  All  charges  transported in each circuit branch are summed and averaged over time.  New tunnel rates are calculated and a new winner is determined through  stochastic  sampling.  Doing  this  many  times  gives  the  macroscopic  behavior of the single electron circuit.  Another  possibility  is  to  calculate  first  an  exit  tunnel  time  out  of  the  current  state  , 

ln r ⁄∑ Γ ,  and  selecting  afterwards  with  a 

second independent random process, which event actually happened. To  do  that  one  generates  an  evenly  distributed  random  number  in  the  interval  0, ∑ Γ

.  If  the  random  number  is  larger  than ∑

smaller than ∑

Γ , the winner is event  . 

Γ  but 

It is important to simulate more events to guarantee that the circuit is  long enough in equilibrium for the averaging to give meaningful events.  Monte Carlo method has problems with rare events (co‐tunneling). If the  co‐tunnel rate is 10‐6/s and the normal tunneling is 1/s, it is essential to  simulate  in  average  one  million  events  to  have  one  co‐tunnel  event  among the simulated ones. 

5.5 Summary  Single  electron  circuits  cannot  be  simulated  using  equivalent  circuit  models  for  tunnel  junctions  because  of  neglecting  quantum  effects  in  these  models.  SETJ  model  ignores  the  effect  of  charge  sharing  between  tunnel junctions through islands. Therefore, there are two methods used  for  simulation  of  single  electron  circuits  (master  equation  and  Monte  Carlo algorithm).  Master  equation  describes  the  system  as  a  state  space  where  each  state  has  its  probability  which  can  be  computed  after  setting  up  the  48

Chapter 5 – Single Electron Circuit Simulation Methods

transition  rate  matrix.  Master  equation  deals  with  averages  rather  than  certain state.   Monte  Carlo  algorithm  tends  to  compute  the  tunneling  duration  for  each  tunnel  event  to  choose  the  winning  tunnel  event  that  has  the  smallest tunnel event.     

49

Chapter 6 – Modeling and Simulation of Single Electron Transistor

Chapter 6  Modeling and Simulation of Single Electron  Transistor    6.1 Single electron structure and operation  Single electron transistor can be considered the most important single  electron  device.  It  shows  several  interesting  features  in  its  electrical  characteristics  and  behavior  so  it  is  the  most  studied  device  in  single  electron devices. Fig. (6.1) shows the basic schematic of a SET device. It  consists of two single electron tunnel junctions which sandwich a single  conductive island between them. Each one of these tunnel junction can be  considered  to  be  like  a  capacitor  but  with  thinner  layer  of  insulating  material.  To  control  SET  conductance,  a  gate  attached  to  the  island  through  a  thicker  layer  of  insulating  material  to  prevent  tunneling  through it.   An electron can only enter the island by the tunneling through one of  the two tunnel junctions. The tunneling event of an electron is described 

  Fig. (6.1):  A schematic diagram of single electron transistor. 

50

Chapter 6 – Modeling and Simulation of Single Electron Transistor

by orthodox theory of single‐electronics. If a single electron is injected by  tunneling  through  the  energy  barrier  of  the  insulating  layer,  it  may  prevent the tunneling of additional electrons and the system is said to be  in  Coulomb  blockade.  Fig  (6.2)  shows  the  available  electron  transitions  for SET device. As mentioned before, the tunneling of a single electron is  always a random event with a certain rate Γ that depends on the change  of the free electrostatic energy of the system ∆ . The tunneling rate is a  ,

function  of  the  junction  tunneling  capacitances  ,

tunneling resistances  Γ

∆ ,

,

,

  ∆

,

/

,  the  junction 

, and temperature T and is given by    

 

 

 

 

 

(6.1) 

The  single  electron  transistor  can  be  considered  two  electron  box  circuits  connected  to  each  other.  Thus,  the  reduction  of  the  free  energy  during  tunneling  event  in  forward  direction  (superscript  +)  and  backward  direction  (superscript  ‐)  in  the  two  single  electron  tunnel  junctions are given by [41] 

  Fig. (6.2):  Diagram of tunneling rates for the movement of an electron through single electron transistor.  

51

Chapter 6 – Modeling and Simulation of Single Electron Transistor





 

 

 

 

(6.2) 





 

 

 

 

(6.3) 

the voltage across these two tunnel junctions are   

    

 

 

 

(6.4) 

 

    

 

 

 

(6.5) 

where   is  the  voltage  of  the  conductive  island,   is  the  background  charge on the island, and   is the number of electrons in the island.   According to orthodox theory of single‐electronics, a proper operation  of  a  SET  device  requires  two  conditions.  The  first  is  that  the  tunnel  ,

junction  resistances 

 should  be  greater  than  the  quantum 

resistance  (~26kΩ)  in  order  to  confine  the  electrons  in  the  island.  The  second  is  that  the  charging  energy  of  the  island  capacitance  should  be   to  avoid  electron 

larger  than  the  available  thermal  energy  tunneling due to the thermionic emission.  

The total capacitance of the island to ground is equal to the summation  of all gate, source, and drain capacitances which can be expressed as    

 

 

 

 

 

 

(6.6) 

By  setting  the  free  electrostatic  energy  of  two  tunnel  junctions  equal  to zero in Eqs. (6.2) and (6.3), one can drive the equations for boundary  of  stable  regions.  Each  region  is  bounded  by  four  lines  like  a  diamond‐ shaped area as shown in Fig. (6.3). This shape is precisely determined by  junction  capacitances,  background  charges  and  type  of  biasing  (symmetric,  

⁄2  and 

⁄2 ;  asymmetric,  

0). The general formulas for these boundaries are [17]  52

 and 

Chapter 6 – Modeling and Simulation of Single Electron Transistor

e n

q

VD

VG CG

VD

VS CS   

 

 

(6.7) 

e n

q

VG

VD CG

VS

VD CS    

 

 

(6.8) 

e n

q

VG

VS CG

VD

VS CD    

 

 

(6.9) 

 

 

(6.10) 

e n

q

VG CG

VS

VS

VD CD   

The  current  in  the  stable  regions  is  constant  because  the  number  of  electrons in a stable region is constant. Therefore, the stable regions are  correspondent to the Coulomb blockade. These stable regions are located  for small 

. On the contrary, the current in the unstable regions is not 

constant. It increases with moving faraway the stable regions boundaries.   and 

Thus, one can get the well known characteristics 

  

as shown on Fig. (6.4) by cutting the stability plot diagram vertically and  horizontally respectively. A vertical cut parallel to the 

 axis runs only 

through  one  stable  region.  This  stable  region  can  be  recognized  by  the  value of 

 at the cutting edge (i.e. for 

will  be 

0 where  the  number  of  electrons  in  the  island  is  zero).  A 

horizontal cut parallel to the 

, the stable region 

 axis for small 

 runs through all stable 

regions resulting in periodic Coulomb oscillations with a period of  ⁄ The 

 characteristics becomes linear for large bias voltage, but it is 

displaced  from  /2



/

 with  small  offset  voltage  of 

.  The  slope  obtained  just  after  the  Coulomb  blockade 

occurrence  is  equal  to  1/2

1/2

 for 

.  This  is  caused  by 

the  large  biasing  overshadowing  of  any  Coulomb  interaction  and  so  the  electrons deal with junctions as two resistors in series. For small biasing  exceeding  the  Coulomb  condition,  electrons  can  either  enter  the  island 

53

Chapter 6 – Modeling and Simulation of Single Electron Transistor

via  junction  one  or  exit  via  junction  two  and  this  is  considered  as  two  parallel conduction channels, causing the  1/2

1/2

 relation. 

For  asymmetric  single  electron  transistor  with  unequal  tunnel  junctions, the 

 characteristic is a staircase like shape as shown in 

Fig.  (6.5).  Unequal  tunnel  resistances  will  directly  affect  the  tunnel  rate  and unequal tunnel capacitances will change the distribution of the bias  voltage  across  tunnel  junctions,  indirectly  affecting  the  tunnel  rate.  For  ,  the  tunneling  speed  in  source  tunnel  junction  is  larger  than  in  drain tunnel junction.  Thus,  once  the  bias  voltage is  above the  Coulomb  blockade threshold, an electron will quickly tunnel through source tunnel  junction to  the island.  However, it will  take  much  longer time  to  escape  through drain tunnel junction due to its higher resistance, resulting in a  local  saturation  in 

 characteristic.  So  we  can  observe  the 

difference  between  symmetric  and  asymmetric  SET  where  an  electron  exit  the  island  immediately  after  entering  it  in  symmetric  device.  However,  an  electron  can’t  escape  as  quickly  as  it  enters  the  island  in  asymmetric device. 

54

Unstable region

 

55 e 2C G

e 2C D  C G 

Unstable region

Fig. (6.3):  Stability plot diagram for single electron transistor. 

e 2C S  C G

e 2CG

Unstable region

Unstable region

Stable region n=1

Vertical cut

Unstable region



Stable region n=0

2C S  C G

e 2C D  C G

Unstable region e

Unstable region

Stable region n = -1

Unstable region

Horizontal cut

VDS

VGS

 

Chapter 6 – Modeling and Simulation of Single Electron Transistor

Chapter 6 – Modeling and Simulation of Single Electron Transistor

25

VDS = 82 mV VDS = 69 mV VDS = 61 mV

D

Drain Current I (nA)

20

15 VDS = 39 mV

VDS = 48 mV

10 VDS = 26 mV

VDS = 4 mV VDS = 17 mV

5

0

0

0.05

0.1

Gate - Source Voltage V

(V)

GS

0.15

(a)  30 V 20

V

10

V

GS GS GS

= 4 mV = 16 mV = 24 mV = 36 mV

D

Drain Current I (nA)

V

GS

0

-10

-20

-30 -0.1

-0.08

-0.06

-0.04 -0.02 0 0.02 0.04 Drain - Source Voltage V (V)

0.06

0.08

0.1

DS

(b)  Fig.  (6.4):    Symmetric  SET  characteristics.  a)  characteristics. The SET device parameters are (

 characteristics.  b)   =   = 1 aF, 

 = 2 aF, 

 = 

 = 1

MΩ, T =1 K) biased under symmetric bias voltage condition.  

  56

Chapter 6 – Modeling and Simulation of Single Electron Transistor

25 VDS = 69 mV

D

Drain Current I (nA)

20

VDS = 82 mV

VDS = 61 mV

15 VDS = 48 mV

10 VDS = 4 mV

VDS = 39 mV

5

VDS = 26 mV

VDS = 17 mV

0 0

0.05 Gate - Source Voltage V

GS

0.1 (V)

0.15

(a)  25 20

D

Drain Current I (nA)

15 10

V V V V

GS GS GS GS

= 4 mV = 16 mV = 24 mV = 36 mV

5 0 -5 -10 -15 -20 -25 -0.1

-0.08

-0.06

-0.04 -0.02 0 0.02 0.04 Drain - Source Voltage V (V)

0.06

0.08

0.1

DS

(b)  Fig.  (6.5):    Asymmetric  SET  characteristics.  a)  characteristics. The SET device parameters are (

 characteristics.  b)   =   = 1 aF, 

 = 2 aF, 

 = 3 MΩ,

 = 100 kΩ, T = 1 K) biased under symmetric bias voltage condition.  

  57

Chapter 6 – Modeling and Simulation of Single Electron Transistor

6.2 Single electron transistor modeling  Modeling  of  SET  utilizes  master  equation  or  Monte  Carlo  algorithm.  Master  equation  is  used  in  simulating  single  electron  circuits  based  on  the orthodox theory. It computes the occupation probability of each state.  Monte  Carlo  algorithm  computes  the  time  duration  for  all  available  tunnel  events.  Then  it  determines  the  success  tunnel  event  which  has  smallest tunnel duration.   6.2.1 Master equation  Master equation describes the system as a Markov process which is a  stochastic  process  having  the  Markov  property  whose  future  probabilities  are  determined  by  its  most  recent  values  [17].  In  ME  algorithm,  the  change  in  free  energy  of  both  junctions  during  tunnel  event  is  calculated  for  state  n  using  Eqs.  (6.2)  and  (6.3).  Then  the  tunneling rates are evaluated using Eq. (6.1). ME solves the system with  all the state probabilities according to the tunneling rates between those  states, and is given by  ∑ where 

Γ

   

Γ

 

 

 

 

(6.11)  

 is  the  time  dependent  occupation  probability  of  state  ,  and 

Γ  denotes  the  tunneling  rate  from  state   to  state  .  It  also  can  be  expressed in a matrix form  Γ

  

 

 

 

 

 

 

 

(6.12) 

The  important  aspect  of  this  method  is  to  obtain  the  set  of  relevant  states  that  the  circuit  under  investigation  can  occupy  in  order  to  set  up  the rate matrix   . The states and their transition rates of the circuit are 

58

Chapter 6 – Modeling and Simulation of Single Electron Transistor

described  by  a  set  of  differential  equations  which  may  be  written  in  matrix form for m states as follows  ∑ Γ Γ

Γ

Γ ∑ Γ

Γ

… … …

Γ Γ ∑

  

  (6.13) 

Γ

Single  electron  transistor  has  a  single  island  that  have  a  discrete  but  infinite  number  of  states,  because  the  number  of  excess  electrons  is  unbound.  Clearly  higher  numbers  of  excess  carriers  are  due  to  the  Coulomb  blockade  and  are  exponentially  suppressed  and  are  more  unlikely to exist. It is impossible to filter out the most likely states from  an arbitrary circuit. An adaptive scheme utilized in master equation is to  start with the initial state and to calculate the tunnel rates for all possible  transitions.  These  rates  are  used  as  zero  order  estimation  for  the  state  probability  of  other  states  reached  with  these  rates  as  transitions.  In  general,  high  transition  rates  leads  to  the  states  with  high  probabilities  and vice versa. If the rate falls under a certain threshold, the state will not  be  considered.  Then  the  master  equation  is  solved  with  all  states  that  passed the threshold test.  In the next iteration, new states are joined to  the set of relevant states and the circuit is better described. This is called  a  journey  in  state  space,  starting  at  the  set  of  states  already  found  and  making steps into other states in state space.  The  number  of  states  to  be  included  in  the  rate  matrix  Γ  is  infinite  because  the  number  of  excess  electrons  is  unbound.  A  typical  state  transition diagram for a tunneling process is shown in Fig. (4.3). It shows  all  transitions  that  are  available  between  a  limited  number  of  states.  It  can  be  observed  that  there  are  a  large  number  of  transitions  between  59

Chapter 6 – Modeling and Simulation of Single Electron Transistor

these 5 states. The state can only be changed to a neighboring state since  only  one  electron  is  assumed  to  tunnel  at  a  time.  Processes  with  this  property  are  called  birth‐death  processes  and  can  be  illustrated  with  a  simple  state  diagram  as  shown  in  Fig.  (4.4).  In  this  case  the  rate  matrix  Γ  is found to be   Γ Γ 0

Γ

Γ Γ

0 Γ

Γ Γ

Γ

0

… … …

Γ

0

0



0 0 0 Γ

  

(6.14) 

,

The most probable states are found around the state representing the  optimum number of electrons in the island which can be calculated by     where 

 

(6.15) 

 is  a  function  that  rounds  the  number   to  the  nearest 

integer less than or equal  .   The solution of master equation gives       where  and 

 

 

 

 

 

 

 

(6.16) 

 is  the  state  probability  vector,  Γ  is  the  tunneling  rate  matrix   is  the  initial  probability  vector  where 

1

0

0



0 . 

The value of the initial probability vector is determined by having a look  to the stability plot diagram where the number of electrons in the island  0.  So  the  state  of 

is  zero  for 

0 has  the  unity  probability 

and the other states has zero probability.   Afterwards, the electron transport can be identified and the current is  defined by  ∑

Γ

  

 

  60

 

 

 

 

(6.17) 

Chapter 6 – Modeling and Simulation of Single Electron Transistor

ΓD where Γ

Γ

Γ

  

 

 

 

 

 

 

(6.18) 

 denotes the tunneling rate through the drain junction to the 

right side at state  , while Γ

 denotes the  tunneling rate through the 

drain  junction  to  the  left  side  at  state   as  shown  in  Fig.  (6.2).  SET  simulation  using  master  equation  method  is  accomplished  in  the  steps  listed  by  the  flow  diagram  shown  in  Fig.  (6.6).  In  master  equation  solution, a truncation method is implemented in the algorithm to include  only  the  most  probable  states,  and  this  is  done  by  adopting  a  threshold  value to cut off low probability states. The threshold value for tunneling  rate determines the number of states taken into simulation which affects  the simulation accuracy.  Fig. (6.7) shows 3D simulation of the drain current of SET  with gate‐ source voltage and drain‐source voltage. This simulation utilized master  equation with a limited number of states (5 and 9 states) without using  the  truncation  algorithm.  One  can  observe  that  increasing  the  drain‐ source  voltage  requires  more  states  to  be  included  in  order  to  get  acceptable accuracy.  

61

Chapter 6 – Modeling and Simulation of Single Electron Transistor

Start

Calculate nopt Calculate ∆F & Γ Add more states No

Check truncation

Construct Γ matrix

 



Γ

Γ

End

  Fig. (6.6):  Flow diagram for master equation algorithm. 

 

62

Chapter 6 – Modeling and Simulation of Single Electron Transistor

-7

x 10

D

Drain Current I (nA)

8 6 4 2 0 0.3 0.2 0.1 Gate - Source Voltage V

GS

0.2

0.15

(V)

0

0.1 0.05 Drain - Source Voltage V

0

DS

(V)

(a) 

-7

D

Drain Current I (nA)

x 10 8 6 4 2 0 0.3

0.2 0.1 Gate - Source Voltage V

GS

0.2

0.15

(V)

0

0.1 0.05 Drain - Source Voltage V

0

DS

(V)

(b)    Fig.  (6.7):    Simulation  results from  applying  master  equation  method  on  symmetric SET for a) 5 states. b) 9 states. The SET device parameters are ( = 

 =   = 

 = 1 aF, 

 = 100 kΩ, T = 1 K) biased under symmetric bias voltage condition. 

  63

Chapter 6 – Modeling and Simulation of Single Electron Transistor

6.2.2 Monte Carlo Algorithm  Monte  Carlo  algorithm  as  described  in  Sec.  (5.4)  is  a  stochastic  modeling  of  electron  transport  in  electron  devices.  Using  Monte  Carlo  algorithm in SET simulation requires tunnel rates calculation. The tunnel  rates  are  evaluated  in  the  same  manner  discussed  before.  Electrons  tunneling are considered as  events that will occur in multiple  durations  depending  on  the  tunneling  rates  just  computed.  The  winning  event  is  chosen  depending  on  the  minimum  duration  needed  for  an  electron  to  tunnel a junction and is given by Eq. (5.17). As the island state raised or  lowered  by  one  electron  charge  depending  on  the  winning  event,  the  tunneling  rates  are  re‐evaluated  and  other  winning  events  are  considered.  In  the  case  of  steady  state,  an  electron  will  first  tunnel  through one of the two junctions; this will increase the probability of an  electron  to  tunnel  through  the  other  junction  in  order  to  restore  the  system to the steady state case. The drain‐source current is equal to the  electron charge divided by the time for electron transport from source to  drain. Thus the current can be expressed as   

 

 

 

 

 

 

 

 

(6.15) 

where   is  the  duration  for  an  electron  to  tunnel  through  drain  tunnel  junction  and   is  the  duration  for  an  electron  to  tunnel  through  source  tunnel junction. While considering that electron tunneling process is very  fast to be considered, co‐tunneling process is not considered in our case.   The  simulation  was  run  and  the  results  are  shown  in  Figs.  (6.8)  and  (6.9). The Coulomb blockade triangular region is equal to that of master  equation  method  but  with  fluctuations  of  the  readings.  For  the  conduction region, the estimated output drain current swings and seems 

64

Chapter 6 – Modeling and Simulation of Single Electron Transistor

somewhat random. The randomness in the output shape is due to the low  amount  of  random  numbers  utilized  in  simulation.  This  amount  was  raised  in  multiples  from  50  to  20000  till  finding  an  acceptable  output  with  reasonable  runtime  duration.  The  runtime  duration  is  linearly  proportional to the amount of random values utilized.   

65

Chapter 6 – Modeling and Simulation of Single Electron Transistor

-7

D

Drain Current I (nA)

x 10 15

10

5

0.3 0.2 0.1 Gate - Source Voltage V

0.2

0.15

GS

(V)

0

0.1 0.05 Drain - Source Voltage V

0

DS

(V)

(a) 

-7

D

Drain Current I (nA)

x 10 10 8 6 4 2 0.3

0.2

Gate - Source Voltage V

0.2

0.15

0.1 GS

(V)

0

0.1 0.05 Drain - Source Voltage V

0

DS

(V)

(b)  Fig. (6.8):  Simulation results from applying Monte Carlo algorithm on symmetric SET for a) 50 random values. b) 500 random values. The SET device parameters are (CD = CS  =  CG  =  1  aF,  RD  =  RS  =  100  kΩ,  T  =  1  K)  biased  under  symmetric  bias  voltage condition.  

  66

Chapter 6 – Modeling and Simulation of Single Electron Transistor

-7

D

Drain Current I (nA)

x 10 8 6 4 2

0.3 0.2 0.1 Gate - Source Voltage V

GS

0.2

0.15

(V)

0

0.1 0.05 Drain - Source Voltage V

0

DS

(V)

(a) 

D

Drain Current I (nA)

x 10

-7

8 6 4 2

0.3 0.2

Gate - Source Voltage V

GS

0.2

0.15

0.1 (V)

0

0.1 0.05 Drain - Source Voltage V

0

DS

(V)

(b)  Fig. (6.9):  Simulation results from applying Monte Carlo algorithm on symmetric SET for a) 5000 random values. b) 20000 random values. The SET device parameters are (CD = CS = CG = 1 aF, RD = RS = 100 kΩ, T = 1 K) biased under symmetric bias voltage condition. 

  67

Chapter 6 – Modeling and Simulation of Single Electron Transistor

6.3 Developed model  Our developed model solves steady state master equation taking into  consideration  the  most  probable  states  in  the  region  where  ( 4 /

).  After  solving  master  equation  for  SET  with  symmetric 

(

/2 , 

/2 )  and  asymmetric  (



0 )  bias 

voltage and plotting the probability distribution function as shown in Fig.  (6.10)  and  Fig.  (6.11),  we  found  that  the  most  probable  states  with  asymmetric  bias  are  symmetric  bias  are 

6,

5, … … ,

2,

1, … … ,

,

1  and  with  2,

3 .  To 

develop  a  model  that  works  with  a  great  accuracy  in  the  region  of  (

4 /

)  whatever  the  drain  to  source  voltage  is  either 

symmetric  bias  or  asymmetric  bias,  it  must  be  taken  into  consideration  the  ten  states  5,

6, 4, … … ,

5, … … , 1,

2,

3  or  eight  states 

 2  for  less  time  consuming  and 

good accuracy.  

68

Chapter 6 – Modeling and Simulation of Single Electron Transistor

-7

x 10 8

6 ID

4

2 0 0.3 0.25

0.2

0.2

0.15

0.15 0.1

0.1

VGS

0.05

0.05

0

VDS

0

(a)  The probability of state nopt

The probability of state nopt+1

1

1

0.5

0.5 0.2

0 0.3

0.2

0.1 0.2

0.1

VGS

0

0

0 0.3

VDS

The probability of state nopt+2

0.1 0.2

0.1

VGS

0

0

VDS

The probability of state nopt+3

1

1

0.5

0.5 0.2

0 0.3

0.2

0.1 0.2

0.1

VGS

0

0

0 0.3

VDS

0.1 0.2

0.1 VGS

0

0

VDS

(b)  Fig.  (6.10):    a)  3D  pattern  for  drain  current  characteristics  with  VDS  and  VGS  under steady  state  conditions  and  asymmetric  bias  voltage.  b)  Probabilities  of  the  most probable states under asymmetric bias voltage.     69

Chapter 6 – Modeling and Simulation of Single Electron Transistor

The probability of state nopt-1

The probability of state nopt-2

1

1

0.5

0.5 0.2

0 0.3

0.2

0.1 0.2

0.1

VGS

0

0

0 0.3

VDS

The probability of state nopt-3

0.1 0.2

0.1 VGS

0

0

VDS

The probability of state nopt-4

1

1

0.5

0.5 0.2

0 0.3

0.2

0.1 0.2

0.1 VGS

0

0

0 0.3

VDS

The probability of state nopt-5

0.1 0.2

0.1 VGS

0

0

VDS

The probability of state nopt-6

1

1

0.5

0.5 0.2

0 0.3

0.2

0.1 0.2

0.1

VGS

0

0

0 0.3

VDS

The probability of state nop-7

0.1 0.2

0.1 VGS

0

0

VDS

The probability of state nop-8

1

1

0.5

0.5 0.2

0 0.3

0.2

0.1 0.2

0.1

VGS

0

0

0 0.3

VDS

0.1 0.2

0.1 VGS

0

0

VDS

(b) (Continued)  Fig. (6.10):  (Continued) a) 3D pattern for drain current characteristics with VDS and VGS  under  steady  state  conditions  and  asymmetric  bias  voltage.  b)  Probabilities  of the most probable states under asymmetric bias voltage. 

  70

Chapter 6 – Modeling and Simulation of Single Electron Transistor

-7

x 10 8

6 ID

4

2 0 0.3 0.25

0.2

0.2

0.15

0.15 0.1

0.1

VGS

0.05

0.05

0

VDS

0

(a)  The probability of state nopt

The probability of state nopt+1

1

1

ID 0.5 0 0.3

0.5 0.2

0.2

0.1 0.2

0.1

VGS

0

0

0 0.3

VDS

The probability of state nopt+2

0.1 0.2

0.1

VGS

0

0

VDS

The probability of state nopt+3

1

1

0.5

0.5 0.2

0 0.3

0.2

0.1 0.2

0.1

VGS

0

0

0 0.3

VDS

0.1 0.2

0.1 VGS

0

0

VDS

(b)  Fig.  (6.11):    a)  3D  pattern  for  drain  current  characteristics  with  VDS  and  VGS  under steady  state  conditions  and  symmetric  bias  voltage.  b)  Probabilities  of  the  most probable states under symmetric bias voltage.  

71

 

Chapter 6 – Modeling and Simulation of Single Electron Transistor

The probability of state nopt-1

The probability of state nopt-2

1

1

0.5

0.5 0.2

0 0.3

0.2

0.1 0.2

0.1

0

VGS

0

0.1

0 0.3

VDS

0.2

The probability of state nopt-3

0.1 VGS

0

0

VDS

The probability of state nopt-4

1

1

0.5

0.5 0.2

0 0.3

0.2

0.1 0.2

0.1 VGS

0

0

0.1

0 0.3

VDS

0.2

0.1 VGS

0

0

VDS

(b) (Continued)  Fig. (6.11):  (Continued) a) 3D pattern for drain current characteristics with VDS and  VGS under steady state conditions and symmetric bias voltage. b) Probabilities of the  most probable states under symmetric bias voltage. 

  The  recursion  relation  is  another  accurate  method  used  in  single  electron transistor simulation [12]. It is used to determine the probability  of each state in a simple way. The probability of occupation of each state  is driven from the recursion relation given below  1

S

D S

From  the  fact  that ∑

D

  

 

 

 

 

(6.16) 

1,  we  can  compute  the  probability 

distribution  function  for  the  most  probability  states  and  the  current  is  defined by Eq. (6.13). So our model makes use of the recursion relation to  compute  the  probability  distribution  function  in  two  steps.  Firstly,  we  compute the coefficients 



72

 as follows 

Chapter 6 – Modeling and Simulation of Single Electron Transistor

S

1

2

D

S

D

S

1 P n

D

S

P

D

P P

  

 

 

(6.17) 

  

 

 

(6.18) 

1   

6.19  

P

P

P S

D

S

D

S

D

S

D

P n

2 1    

(6.20) 

1   

(6.21) 

and so on for the coefficients of other states.  S

D D

S

D

S S

1     (6.22) 

D

Secondly,  applying  the  fact ∑ of the optimum state  ∑  

1 to  determine  the  probability 

 as described in equations below  6

3

1  

5  



 

 … … … …  

6 2

3 1  

 ……

 

2   

 

 

 

(6.23) 

5

 … …



 

 

 … …

(6.24)    

 ……

(6.25) 

Then, the probability of state   can be computed using     

 

  73

 

 

 

 

(6.26) 

Chapter 6 – Modeling and Simulation of Single Electron Transistor

After determining all probabilities of states and their tunneling rates,  the  current  passing  through  single  electron  transistor  can  be  computed  using  ∑

Γ

Γ

    

 

 

 

 

(6.27) 

The  details  of  our  model  in  steps  are  described  by  simple  flow  chart  as  shown in Fig. (6.12). 

74

Chapter 6 – Modeling and Simulation of Single Electron Transistor

Start

 

⁄2

∆ ∆

Γ

,



 

⁄2

No

 

Yes

∆F

Suggest Documents