Mémoire mono-électronique - Définition
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Introduction
Améliorer la performance des mémoires électroniques (i.e. mémoire à semi-conducteurs), c’est réduire le nombre d’électrons nécessaires au stockage d’un bit d’information. Depuis les débuts de l’informatique cet objectif de minimiser les électrons recrutés lors d’une opération de stockage d’un bit élémentaire conditionne l’évolution des dispositifs mémoire. À ce jour, c’est encore plusieurs centaines de milliers d’électrons qui sont nécessaires pour stocker une information binaire.
Pour inscrire un simple bit de données dans une cellule mémoire RAM, un transistor transfère près d’un demi-million d’électrons à une capacité adjacente. Cette quantité minimale de porteurs électriques est nécessaire pour assurer la fiabilité de l’information stockée, c'est-à-dire la préserver et la rendre détectable au milieu d’un « bruit électrique » ambiant.
La densité maximale de stockage est fixée par la taille de ces petits condensateurs, dont les dimensions sont directement proportionnelles à la quantité de porteurs électriques nécessaires pour le stockage de la donnée. Un dispositif qui fonctionnerait en mobilisant moins d’électrons pour stocker une information serait donc plus petit et consommerait moins d’énergie.
Les mémoires mono-électronique ou SEM (Single Electron Memory)
Les structures d’étude ou dispositifs monoélectroniques étudiés sont des composants mettant à profit les effets quantiques et/ou de blocage de Coulomb permettant d’envisager la régulation de l’écoulement de la charge électron par électron et/ou le stockage de l’information avec un nombre fixe (i.e. non fluctuant) d’électrons.
Les potentialités d’application sont du domaine des SEM (Single Electron Memory) et des SET (Single Electron Transistor) à l'horizon 2010-2015. L’observation des effets de confinement quantique et de blocage de Coulomb a été obtenue surtout aux basses températures. Pour des applications à température ambiante, les dimensions critiques des nanodispositifs doivent se situer en deçà de 3-4 nanomètres.
L'électronique à un électron
En 1911, Millikan mesurait pour la première fois la charge de l'électron en observant la chute de gouttelettes d'huile. Aujourd'hui, on est capable de contrôler le transfert d'électrons un par un dans des dispositifs submicroniques.
Les électrons dans un métal forment un gaz dégénéré où l'extension de leur fonction d'onde est plus grande que la distance qui les sépare : ils sont en quelque sorte fondus les uns dans les autres. Pour cette raison, le caractère discontinu du courant électrique est masqué dans un métal et même dans un semi-conducteur.
Le contrôle du passage des électrons un par un, est néanmoins possible en combinant deux phénomènes : le franchissement d'une barrière de potentiel par effet tunnel et la répulsion coulombienne entre électrons.
Le circuit élémentaire, appelé "boîte à électrons", permettant de contrôler leur passage est représenté sur la figure 1. Ce circuit se compose d'une jonction tunnel reliée à une capacité Cs
Le rôle de la jonction tunnel est de permettre la séparation d'un électron du reste du gaz électronique du métal, les électrons passant un à un à travers la barrière isolante. La partie comprise entre les deux capacités s'appelle une île. Sa charge q est proportionnelle au nombre n d'électrons ayant franchi la barrière tunnel : q = ne.
La tension U, appliquée aux bornes du circuit, va déterminer la charge de l'île. On peut alors définir deux régimes :
- A haute température, l'énergie d'un électron sur l'île (E=e2/2(Cs+C)) est petite devant l'énergie des fluctuations thermiques kBT. Les électrons entrent et sortent facilement de l'île dont la charge moyenne
e est alors donnée par CsU.
- A très basse température, c'est-à-dire lorsque kBT<
est donc une fonction croissante (en forme d'escalier) de la tension U présente aux bornes du système.
La condition kBT<
