Con respecto a la naturaleza cuántica del transistor de puerta flotante: tunelización, coherencia, espectro

En un transistor de puerta flotante , la puerta está eléctricamente aislada. Tengo algunas preguntas sobre la naturaleza cuántica de este dispositivo:

  1. A veces se menciona que, para almacenar o deducir cargos de la puerta aislada, se utiliza la tunelización cuántica. ¿Es realmente necesario invocar la mecánica cuántica aquí? ¿Se puede explicar también el efecto en un marco clásico (p. ej., avería eléctrica)?
  2. También se sabe que, con el tiempo, podría haber una fuga de cargas de la puerta (incluso sin aplicar ningún voltaje). ¿Esto también requiere túnel cuántico para explicar?
  3. Algunos fenómenos cuánticos solo se pueden observar en un entorno coherente, donde el sistema está suficientemente aislado de su entorno y, por lo tanto, no se produce decoherencia (o es pequeña). ¿El efecto del túnel cuántico en el contexto actual también requiere coherencia?
  4. Los electrones que se almacenan en la puerta del transistor: ¿cómo podemos estimar el tiempo de coherencia típico después de que se transfieren a la puerta? (por "tiempo de coherencia" me refiero al tiempo antes de que se enreden fuertemente con su entorno inmediato). (Entiendo que esta pregunta podría no tener sentido. Si es así, le agradecería que me explicara por qué no tiene sentido).
  5. Los electrones en la puerta, ¿podemos decir que tienen un espectro de energía discreto? Más precisamente, ¿cómo podemos estimar las brechas de energía entre los valores propios de energía de los electrones?

Respuestas (1)

  1. Se pueden utilizar mecanismos clásicos. De hecho, el artículo de wikipedia al que se vinculó lo dice en el primer párrafo. La inyección de portadores calientes es un fenómeno clásico. (Usas portadores con suficiente energía para atravesar la barrera). Si quieres pasar una barrera, tienes dos opciones: atravesarla (túnel) o pasarla (clásica). Creo que algunos dispositivos dependen exclusivamente de la tunelización cuántica, en cuyo caso realmente no puedes escapar de la tunelización cuántica.
  2. Cualquier mecanismo que se pueda usar para cargar la puerta también se puede usar para sacar la carga de la puerta. Sin embargo, a menos que esté calentando mucho su dispositivo, supongo que el túnel es el mecanismo de fuga dominante.
  3. No, la tunelización no requiere coherencia. Parece que la premisa tácita de estas preguntas es que la tunelización es un fenómeno exótico, entonces, ¿puede realmente manifestarse en dispositivos semiconductores "normales"? La respuesta es un sí rotundo"! Muchos dispositivos semiconductores dependen exclusivamente de la tunelización cuántica para funcionar. Los diodos Zener son el mejor ejemplo. También lo son los diodos de efecto túnel resonantes. Los diodos Schottky también dependen en gran medida de los túneles cuánticos.
  4. Muchos tiempos de coherencia en dispositivos semiconductores MOS a temperatura ambiente suelen ser muy cortos. Los estimaría efectivamente en cero. Dicho esto, puede hacer computadoras cuánticas con técnicas de fabricación de semiconductores estándar, pero los tiempos de coherencia generalmente no son estelares y requiere temperaturas muy bajas. Los tiempos de coherencia dependen mucho de los detalles de su sistema, especialmente de las impurezas presentes. Entrar en detalles está más allá del alcance de esta respuesta, es un área activa de investigación, pero aquí hay un artículo si está interesado. (Dicho todo esto, hay muchos tiempos de coherencia. A temperatura ambiente, tal vez el tiempo de coherencia de espín no sea trivial, incluso si el tiempo de coherencia de fase es básicamente cero).
  5. Sí, los niveles de energía son discretos. A menos que la puerta sea muy pequeña, con una buena aproximación, puede calcular los niveles de energía de forma clásica. El espaciado es básicamente la carga de un electrón por la capacitancia entre la puerta y el resto del sistema. Espero que esto sea como los niveles de energía de un transistor de un solo electrón . Si la puerta es realmente pequeña, los electrones interactúan más entre sí y las cosas se complican más.
Con respecto a la naturaleza cuántica del transistor de puerta flotante: tunelización, coherencia, espectro
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