納米電測量的實例分析I

碳納米管的特性使得它們成為一種出色的電子元件材料[1]。圖6示出了FET結(jié)構(gòu)所使用的碳納米管[2]。為了發(fā)現(xiàn)器件的I－V特性曲線[3]，建議采用有弱電流測量[4]功能的儀器。一種可用的典型儀器是信號源－測量一體化單元（SMU），它可以輸出電壓或電流信號，并分別對電流或者電壓響應(yīng)進行測量。讓一個SMU對柵電壓進行掃描，并用另一個SMU來控制源－漏電壓，則可以測量出源－漏電流。請注意待測電流大小處于nA范圍。對于大多數(shù)測量儀器而言，這往往是一個輕而易舉能實現(xiàn)的任務(wù)，而且噪聲也不成其為問題，但正如前面所討論的那樣，存在一個潛在的誤差源。



圖6：碳納米管的特性使得它們成為一種出色的電子元件材料，正如圖中所示的FET結(jié)構(gòu)[5]。為了獲取器件的I－V特性曲線[6]，建議采用具有低電流測量功能的儀器。

電子元件的自組裝代表了電子制造領(lǐng)域的一個新的范式，導(dǎo)致了分子二極管[7]、開關(guān)或者存儲器的研發(fā)。這些器件使用數(shù)百nA的電流，其測量是可行的，但是在某些特定情況下，待測電流處于數(shù)百pA的范圍，這就要求測量工作更為謹(jǐn)慎。

單電子晶體管是一種新型的開關(guān)器件，它利用受控的電子隧穿效應(yīng)來放大電流。其中一個金屬電極上的電子行進到另一個電極上的唯一途徑就是通過絕緣體的隧穿電流。因為隧穿是一個分立的過程，穿過隧道結(jié)的電荷是e（單個電子的電荷）的倍數(shù)。當(dāng)柵極電壓設(shè)置為零時，只會出現(xiàn)很小的隧穿。與隧穿相反的效應(yīng)被稱為庫侖阻塞。柵電容上的電荷可以設(shè)置為電子電荷的非整數(shù)倍，因為在金屬中輸運的電荷是連續(xù)的。這種由電壓控制的電流行為使得SET的工作非常類似于一個FET，不過是在小得多的尺度上實現(xiàn)的。

由于SET的行為特性的緣故，而且也因為僅涉及單個電子的運動，電流的測量值很小。隨著柵電壓從至少－5mV掃描至+5mV，電流水平上出現(xiàn)了截然分立的步進（庫侖臺階）。這些電流的測量值都處在pA的范圍上。

顯然，該應(yīng)用需要對弱電流的敏感能力，而且甚至需要很低的、具有mV分辨率的電壓信號輸出能力。當(dāng)柵壓以極低的電壓步進在一定的范圍上（很容易達到－100mV～+100mV）掃描，這一要求就意味著需要提供很大的數(shù)據(jù)存儲容量，以便能捕捉到I－V特性曲線上的多個點。20，000個點以上的存儲要求并非不可能。