納米電測(cè)量的實(shí)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(xiàn)[3]，建議采用有弱電流測(cè)量[4]功能的儀器。一種可用的典型儀器是信號(hào)源－測(cè)量一體化單元（SMU），它可以輸出電壓或電流信號(hào)，并分別對(duì)電流或者電壓響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量。讓一個(gè)SMU對(duì)柵電壓進(jìn)行掃描，并用另一個(gè)SMU來(lái)控制源－漏電壓，則可以測(cè)量出源－漏電流。請(qǐng)注意待測(cè)電流大小處于nA范圍。對(duì)于大多數(shù)測(cè)量?jī)x器而言，這往往是一個(gè)輕而易舉能實(shí)現(xiàn)的任務(wù)，而且噪聲也不成其為問(wèn)題，但正如前面所討論的那樣，存在一個(gè)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(xiàn)[6]，建議采用具有低電流測(cè)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(gè)新的范式，導(dǎo)致了分子二極管[7]、開(kāi)關(guān)或者存儲(chǔ)器的研發(fā)。這些器件使用數(shù)百nA的電流，其測(cè)量是可行的，但是在某些特定情況下，待測(cè)電流處于數(shù)百pA的范圍，這就要求測(cè)量工作更為謹(jǐn)慎。

單電子晶體管是一種新型的開(kāi)關(guān)器件，它利用受控的電子隧穿效應(yīng)來(lái)放大電流。其中一個(gè)金屬電極上的電子行進(jìn)到另一個(gè)電極上的唯一途徑就是通過(guò)絕緣體的隧穿電流。因?yàn)樗泶┦且粋€(gè)分立的過(guò)程，穿過(guò)隧道結(jié)的電荷是e（單個(gè)電子的電荷）的倍數(shù)。當(dāng)柵極電壓設(shè)置為零時(shí)，只會(huì)出現(xiàn)很小的隧穿。與隧穿相反的效應(yīng)被稱(chēng)為庫(kù)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?yàn)樵诮饘僦休斶\(yùn)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(lèi)似于一個(gè)FET，不過(guò)是在小得多的尺度上實(shí)現(xiàn)的。

由于SET的行為特性的緣故，而且也因?yàn)閮H涉及單個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)，電流的測(cè)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(jìn)（庫(kù)侖臺(tái)階）。這些電流的測(cè)量值都處在pA的范圍上。

顯然，該應(yīng)用需要對(duì)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(hào)輸出能力。當(dāng)柵壓以極低的電壓步進(jìn)在一定的范圍上（很容易達(dá)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(chǔ)容量，以便能捕捉到I－V特性曲線(xiàn)上的多個(gè)點(diǎn)。20，000個(gè)點(diǎn)以上的存儲(chǔ)要求并非不可能。