Kurzfassung

Quantisierung von Ladung in metallischen oder halbleitenden Strukturen spielt in herkömmlichen elektronischen Bauelementen eine untergeordnete Rolle. Liegt jedoch die Strukturgröße im Nanometerbereich, und wird damit die Gesamtkapazität sehr klein und die Ladungsenergie größer als die thermische Energie, dann wird die Änderung der freien Energie signifikant, die mit der Addition bzw. Subtraktion eines einzelnen Elektrons von einem Partikel oder Quantenpunkt verbunden ist. Neuartige Effekte, die von der Ladungsquantisierung herrühren, haben Aussichten auf eine neue elektronische Technologie eröffnet, die neue Analysewerkzeuge benötigt. Daher beschäftigt sich diese Arbeit mit der Simulation solcher neuartiger elektronischer Bauelemente.

Elektronen können nur via Tunnelübergänge auf Partikeln gelangen oder diese verlassen. Daher wird dieses Gebiet oft als Ein-Elektron Tunneln bezeichnet. Ladungseffekte verursachen einen zeit- und ortskorrelierten Transport von Elektronen. Neuartige Phänomene wie die Coulomb Blockade, eine Stromflußunterdrückung bei niedriger Spannung, oder Coulomb Oszillationen, ein zeit- bzw. ortskorrelierter Transport von Ladungen durch Tunnelübergänge, treten auf. Mit diesen neuen Quanteneffekten ist es möglich, die Bewegung und Position einzelner Elektronen zu steuern. Neben den erwünschten Erscheinungen von gesteuertem Transport einzelner Elektronen treten auch unerwünschte Effekte auf. Diese sind zum Beispiel das Co-Tunneln, ein gleichzeitiges Tunneln zweier oder mehrerer Elektronen in verschiedenen Tunnelübergängen, oder die Sensitivität auf unkontrollierbare Verunreinigungen, die über das gesamte Material verstreut sind, und Ladungsträgereinfang bzw. -abgabe, die die Ladungsverteilung stören und damit die Coulomb Blockade reduzieren oder sogar vollständig eliminieren.

Es wird erklärt wie der Transport von Elektronen durch Ein-Elektron Bauelemente und Schaltungen simuliert werden kann. Zwei wichtige Methoden, ein Monte Carlo und ein Master Gleichungsverfahren, die das äquivalente Kapazitätsnetzwerk eines Schaltkreises unter der Einwirkung von diskreten Tunnelereignissen behandeln, werden verglichen. Es ist genau dieses diskrete Verhalten von Ein-Elektron Bauelementen, das neue Simulationstechniken notwendig macht. Es wird die Frage der Simulation von Co-Tunnel Ereignissen erörtert, das ein herausforderndes numerisches Problem darstellt. Andere Implementierungspunkte, wie die Beschleunigung des Simulators, werden diskutiert. Zusätzlich zur fundamentalen Theorie, auf dem das Ein-Elektron Tunneln basiert, wird eine ausführliche Studie über Ein-Elektron Speicherbausteine durchgeführt. Es werden Simulationsergebnisse gezeigt, um die innewohnenden Möglichkeiten der Ein-Elektron Technologie zu verdeutlichen und um das Vermögen von Simulationen aufzuzeigen. Viele wichtige Fragen werden gestellt und diskutiert. Ist ein Raumtemperaturbetrieb erreichbar? Sind Quantenfluktuationen und Co-Tunneln unterdrückbar? Und ist die Sensitivität auf zufällige Hintergrundladung kontrollierbar?

Ein-Elektron Bauelemente zeigen viele sehr aussichtsreiche Eigenschaften, wie ultimativ niedriger Leistungsverbrauch, Skalierbarkeit bis zu atomaren Abmessungen und hohe Schaltgeschwindigkeit. Das Ergebnis könnten Mikrochips mit extrem hoher Integrationsdichte in Kombination mit stark reduziertem Leistunsverbrauch sein. Diese vielversprechenden Eigenschaften geben Ein-Elektron Bauelementen das Potential, konventionelle CMOS Bauelemente in der nahen Zukunft teilweise zu ersetzen.