单电子器件
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单极器件和双极器件
单极器件和双极器件是电子学中常见的两种半导体器件类型。
单极器件只有一种极性的载流子(电子或空穴)参与导电,例如场效应晶体管(FET)和金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)。
单极器件的特点是具有高输入阻抗、低噪声和快速开关速度,因此在数字电路、射频电路和功率电子等领域得到广泛应用。
双极器件则同时利用电子和空穴两种极性的载流子进行导电,例如双极结型晶体管(BJT)和二极管。
双极器件的特点是具有较高的电流增益和较低的噪声,但开关速度相对较慢。
双极器件在模拟电路、射频电路和功率电子等领域也有广泛的应用。
在实际应用中,单极器件和双极器件通常会结合使用,以满足不同电路的需求。
例如,在集成电路中,MOSFET 通常用于数字逻辑电路和存储电路,而 BJT 则用于模拟电路和功率驱动电路。
总的来说,单极器件和双极器件各有优缺点,应根据具体的应用需求选择合适的器件类型。
化学中的单分子电子器件单分子电子器件是一种独立的设备,由单个分子或分子聚集体构成。
这种设备被广泛应用于电子学、生物学、纳米技术领域。
化学中的单分子电子器件是一种非常新颖的电子器件。
可以通过电子穿越谱学研究单分子器件如何与外界电子场相互作用。
然而,在化学中,单分子电子器件的应用仍处于早期阶段。
本文将探讨化学中的单分子电子器件,以及它们的潜在应用领域。
单分子电子器件的制备需要高度精细的技术。
一种有效的方法是通过金属-有机配合物制备单分子电子器件,金属与有机配体的电子结构可以实现电子传递的控制。
金属和有机配体结合形成的配合物可以被置于金属表面上,形成一个包含单个分子的电子器件。
在化学中,单分子电子器件的应用主要是通过电化学实现的。
电化学包括传送电子的离子在溶液中的氧化还原反应。
因此,电化学技术被广泛应用于制备和研究单分子电子器件。
单分子电子器件的研究涉及到许多不同的应用与发展领域。
例如,在生物学中,单分子电子器件广泛应用于通过调控固定类型和数量的蛋白质分子对生物反应的研究。
在能源领域,单分子电子器件可以用于制备高效的太阳能电池,这种电池可以通过特殊的光谱学方法来优化。
在纳米技术领域,单分子电子器件可以用于制备超薄的薄膜和纳米电路的构建。
单分子电子器件的制备可以采用已有的纳米加工技术,这些技术包括光刻、电子束光刻、扫描电子显微镜等。
由于制备和研究单分子电子器件需要复杂的技术和设备,并且需要深入的理论研究,因此,单分子电子器件仍处于早期阶段。
但是,随着化学、生物学和纳米技术的进步,我们可以期待单分子电子器件在未来的发展中发挥更大的作用。
在总的来说,通过电子穿越谱学的研究,单分子电子器件在化学中具有很大的应用前景。
我们期待单分子电子器件能够在各个应用领域发挥其巨大的潜力,为我们带来更多的创新和发展。
单结晶体管工作原理单结晶体管是一种常见的电子器件,广泛应用于集成电路和电子设备中。
它是一种半导体器件,由单个晶体材料制成,具有优异的电子性能和稳定性。
本文将详细介绍单结晶体管的工作原理。
一、结构组成单结晶体管由三个主要部分组成:基底、源极和栅极。
基底是单晶硅材料,它提供了整个器件的机械支撑和电流传输的通道。
源极是与基底相连的区域,它负责控制电流的注入和排出。
栅极是位于源极和基底之间的绝缘层,它通过控制栅极电压来控制源极和基底之间的电流流动。
二、工作原理当单结晶体管处于关闭状态时,栅极和基底之间的电压为零,此时源极和基底之间的电流无法流动。
当栅极施加正向电压时,栅极和基底之间形成电场,使得基底中的电子被吸引到栅极附近。
由于栅极和基底之间的绝缘层的存在,电子无法通过绝缘层流向源极,因此电流无法形成。
当栅极施加负向电压时,栅极和基底之间的电场被抑制,电子无法被吸引到栅极附近,此时源极和基底之间的电流仍然无法形成。
当栅极施加适当的正向电压时,栅极和基底之间的电场被适度放大,使得基底中的电子能够克服绝缘层的阻挡,从而流向源极。
这样就形成了从源极到基底的电流,也称为漏极电流。
栅极电压的大小决定了漏极电流的大小,从而控制了单结晶体管的工作状态。
三、特性与应用单结晶体管具有以下特点和应用:1. 高频特性:由于单结晶体管的尺寸小且结构简单,使得它具有较高的工作频率和响应速度。
因此,它广泛应用于无线通信、雷达、微波等高频电子设备中。
2. 低功耗:单结晶体管的工作电流较低,使得它具有较低的功耗特性。
这使得它适用于便携式电子设备和低功耗电路。
3. 可靠性:单结晶体管由单个晶体材料制成,具有较高的稳定性和可靠性。
它能够在广泛的温度范围内工作,并且不易受到外界干扰。
4. 集成度高:单结晶体管可以通过微细加工技术实现高度集成,从而在小尺寸芯片上实现复杂的电路功能。
这使得它成为现代集成电路的重要组成部分。
总结:单结晶体管是一种重要的电子器件,具有优异的电子性能和稳定性。
电子输运与量子隧穿效应电子输运与量子隧穿效应是固态物理学中的核心概念,对于理解和研究材料的电学性质具有重要意义。
本文将介绍电子输运与量子隧穿效应的基本原理、主要应用和未来的研究方向。
一、电子输运的基本原理电子输运是指电子在固体中的运动和传输过程。
在固体中,电子受到晶格结构的限制,其传输行为受到电场和温度等外部因素的影响。
根据固体的电子能带结构和费米能级理论,可以推导出载流子在固体中的运动方式和输运性质。
电子输运的主要方式有漂移运动和扩散运动。
漂移运动是指电子受到电场的作用而发生的定向移动。
在半导体中,电子在晶格中受到周期性势场的作用,因此在电场的驱动下,电子会受到晶格散射,并呈现出漂移运动的特性。
扩散运动是指电子受到浓度梯度的作用而产生的无规行走。
在材料中,如果存在浓度差异,则电子会由高浓度区域向低浓度区域进行自发的扩散运动。
扩散运动对于材料的纯度和杂质浓度分布具有重要影响。
二、量子隧穿效应量子隧穿效应是一种量子力学现象,指的是粒子在经典力学中不可能出现的障碍物背后出现的概率现象。
在电子输运中,当电子遇到高能垒的障碍时,根据经典力学,电子无法越过障碍进入禁止区域。
然而,根据量子力学,电子可以以一定的概率穿越障碍,进入禁止区域。
量子隧穿效应的概率与障碍的高度和宽度以及电子的能量有关。
当障碍越高或越宽时,电子穿越的概率越小。
此外,电子的能量越高,穿越的概率也越小。
在实际应用中,量子隧穿效应常常用于电子器件的设计和制造,例如隧穿二极管和隧穿场效应晶体管。
三、电子输运与量子隧穿效应的应用1. 半导体器件电子输运与量子隧穿效应在半导体器件领域有广泛的应用。
例如,隧穿二极管是一种利用量子隧穿效应的二极管。
它可以实现极低的反向击穿电压和高速开关速度,因此在微波和毫米波领域有重要应用。
2. 量子隧穿存储器量子隧穿效应还被应用于存储器技术中。
量子隧穿存储器利用电荷在超薄氧化层中的隧穿效应,实现了非易失性存储和快速读写操作。
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单结晶体管工作原理单结晶体管(Single Crystal Transistor,SCT)是一种基于半导体材料的电子器件,它具有优异的性能和可靠性,在现代电子技术中得到广泛应用。
本文将详细介绍单结晶体管的工作原理。
一、引言单结晶体管是一种三端器件,由源极(Source)、漏极(Drain)和栅极(Gate)组成。
它的工作原理基于半导体材料的导电性质,通过控制栅极电压来调节源漏电流,实现信号放大和开关控制等功能。
二、结构和制造工艺单结晶体管的主要结构包括基底、栅极、源漏区域和绝缘层。
基底是单晶硅材料,通过掺杂和扩散工艺形成源漏区域。
栅极是由金属或多晶硅制成,与基底之间通过绝缘层隔离。
制造工艺一般包括以下步骤:1. 基底制备:选择高纯度的硅片作为基底材料,经过切割、抛光和清洗等工艺处理,得到具有良好晶格结构的单晶硅片。
2. 掺杂:通过扩散或离子注入等方法,在基底表面掺入所需的杂质,形成源漏区域和栅极区域。
3. 绝缘层制备:在源漏区域和栅极区域之间形成绝缘层,常用的材料包括二氧化硅(SiO2)等。
4. 金属沉积:在栅极区域上沉积金属材料,形成栅极电极。
三、工作原理单结晶体管的工作原理可以分为静态工作和动态工作两种情况。
1. 静态工作在静态工作状态下,栅极电压为恒定值,源漏电流由栅极与源极之间的电压决定。
当栅极电压较低时,源漏电流较小,处于截止区;当栅极电压逐渐增大,源漏电流也逐渐增大,处于放大区;当栅极电压达到一定值时,源漏电流饱和,处于饱和区。
2. 动态工作在动态工作状态下,栅极电压会随时间变化,源漏电流也会相应变化。
通过控制栅极电压的变化,可以实现信号放大和开关控制等功能。
例如,在放大器中,输入信号经过栅极电压的调节,使得源漏电流产生相应的变化,从而实现信号放大的功能。
四、特点和应用单结晶体管具有以下特点:1. 高频特性:由于单结晶体管的结构紧凑,信号传输速度快,适用于高频电路的设计和制造。
2. 低噪声:单结晶体管的材料和结构优化,能够降低电路的噪声水平,提高信号的纯净度。
单电子器件的制造及其应用随着技术的不断进步,科学家们不断探索微观世界,进一步研究电子学。
在这个过程中,单电子器件慢慢进入人们的视野,成为了新的热点领域。
单电子器件的制造及其应用,一直是科学家们在研究中所重点关注的领域。
一、单电子器件的制造单电子器件是一种非常小的微型电子器件,以单个电子作为操作单元。
这种微型电子器件的制造需要使用纳米尺度的材料,并具有极高的精度和稳定性。
目前,制造单电子器件的常用方法有两种:一是通过扫描隧道显微镜(STM)或原子力显微镜(AFM)制造,二是通过半导体纳米技术制造。
通过STM或AFM制造的单电子器件具有高精度和高性能,但是制造难度较大。
半导体纳米技术相对而言比较简单,制造成本较低,但是性能相对较低。
二、单电子器件的应用单电子器件在未来的应用中有着广泛的应用前景,如高速计算、量子计算、信息传输等领域。
1、高速计算单电子器件有着极高的速度和精度,可以被用于超高速计算。
目前,很多科学家正在研究单电子器件在超算领域的应用。
2、量子计算单电子器件可以被用于量子计算,这可以大大提升计算的速度和效率。
科学家们正在研究如何使单电子器件与量子计算机相结合。
3、信息传输单电子器件可以被用于信息传输,如在微处理器、计算机芯片等方面的应用。
这可以使信息处理更为精确、高效。
总结单电子器件的制造及其应用,是微电子器件发展的重要方向之一。
目前,很多科学家正在研究如何更好地制造单电子器件,使其具有更高的性能和稳定性。
在未来,单电子器件将有着广泛的应用前景,如在高速计算、量子计算和信息传输等领域中的应用。
一 什么是单电子器件(SED )二 单电子器件的基本原理 库仑阻塞效应和单电子隧穿三 单电子晶体管(SET )及其工作原理(量子旋转门效应)四 单电子器件的应用一 引言对于目前的电子器件来说,器件的最小尺寸要大于电子的德布罗意波长,也就是说我们都是将电子看成是经典的粒子,我们不妨将这种器件称为经典器件。
但近些年来,随着微细加工技术的飞快发展和电子电路集成度的提高,都要求电子器件的尺寸越小越好。
但是器件尺寸的缩小并不是无限度的,就像CMOS 器件,它由于受固体结构特性的最小尺寸,电流、电压感应击穿,功率耗散,热噪声和海森堡测不准原理等因素的限制, 已经接近物理极限, 要想进一步发展大规模集成电路, 就需要更小的器件。
例如其沟道长度如果缩小到小于0.25微米,甚至几十纳米几纳米数量级时,因为量子隧穿,器件就会失效。
也就是说随着器件尺寸的缩小就必须要考虑器件的量子效应,所以量子器件成为了人们的研究热点。
今天我将给大家介绍一种量子器件--单电子器件。
二 什么是单电子器件?单电子器件是基于库仑阻塞效应和单电子隧道效应的基本物理原理来控制一个或少数几个电子的位置和移动的一种新型纳米电子器件。
(单电子效应:通过改变电压的方法来操纵电子一个一个的运动)三 单电子器件的基本理论(库伦阻塞效应和单电子隧穿现象)1.我们先从一个简单的模型来解释库仑阻塞和单电子隧穿现象库伦阻塞效应最早是在微小隧道结实验中发现的,如图1所示,一个理想的没有旁路电导的金属隧穿结。
它实际上就是一个平行板电容器,只不过电极板之间的间距只有十几个Å,结面积也很小所以隧穿结的电容也很小假设只有1×10-16F 的量级。
当有电子隧穿过隧道结时会使结两端的电位差发生变化,从而使节的静电能也发生变化,给结附加的充电能Ce 2,如果此时的静电能远远大于低温下的热运动能量k B T( k B 玻耳兹曼常数0.38066×10-23,T 是绝对温度)。
则由这个电子隧穿所引起的电位变化会对下一个电子隧穿产生阻止作用,这就是隧穿过程的库伦阻塞效应。
图 1隧穿结上充电电荷Q 引入的静电能等于⎰=Q C Q dq C q 022当电容C 很小时它的贡献就不容忽视。
在电子隧穿前,电容有初始电荷Q o ,对应充电能eQ o 22当隧穿N 个电子之后,电容的静电能为CNe Q o 2)(2- 电荷隧穿前后,电容静电能的变化ΔE 等于)2(222)(2222o o o o Q Ne C Ne C NeQ C e N C Q C Ne Q E -=-=--=∆ 当2Ne Q o <时,ΔE 为正值,表明系统的总能量增加了,因此上述隧穿过程是不允许的,即只要电荷Q 的绝对值小于2Ne ,隧穿事件为库仑效应所阻塞。
而随着Q 增大到大于2Ne ,就会发生隧穿事件,这从能量角度而言是允许的,库仑阻塞消失。
伴随电荷隧穿通过结,结两端电压将发生大小为 Ne/C 的跃变,结上电荷Q 将减小到稍大于2Ne -的数值。
随着时间的演化,上述过程将周而复始地重复,结电压会呈现出如图2所示的振荡.图 2纵轴(电压轴)以e/C 为单位,横轴(时间轴)以e/I 为单位,A 、B 、C 、D 、E 、F 为不同的电流偏置点。
四 单电子晶体管(SET )及其工作原理(量子旋转门效应)既然电容上的电荷量可以决定是否出现库伦阻塞效应,那我们想可以通过人为的控制这个电荷量来控制电子的行为,那么这个器件就是单电子晶体管。
将两个隧穿结串联起来后其中心电极就成为一个孤立的库仑岛。
现在紧挨着中心电极附近再设置另一栅电极就形成了如下图4所示的等效电路。
这是一个三极管式的电路,由于栅极电压可以完全控制器件的电导,因此这一由栅压控制的双结器件就具有晶体管的作用,称为单电子晶体管,是一种最基本的单电子器件。
图 3 单电子晶体管示意图根据上面的等效电路,我们来具体研究一下单电子隧穿晶体管的工作原理。
利用分离栅技术在如图4(a)所示的异质结样品表面蒸镀上按一定图形配置而成的金属栅电极如图4(b),这样就形成了一个简单的单电子晶体管。
(c )图 4(a)具有分离栅电极的异质结结构,外加负栅压使栅板下的二维电子气(2DEG)耗尽由金属栅电极1、C 、2、F 构成的半导体量子点(QD 为量子点,QPC 1、QPC 2分别为控制电子进出QD的量子点接触)(c)单电子晶体管(SET )处在异质结界面的电子由于受界面处沿垂直界面方向势阱的束缚, 已经成为准二维电子系统。
因为势阱的宽度已经和电子的费米波长可相比拟,电子沿垂直界面方向不再能够自由运动,只能沿平面作二维自由运动,故称二维电子。
现在如果在金属栅极上外加负偏压,在低温下可以将栅极覆盖下的二维电子全部耗尽。
这样只有在图4(b)中由栅电极1、C 、2、F 所包围的中心部分尚有电子存在,形成了量子点结构而且只要栅电压选择合适,利用电极边缘电场效应可以保证1-C 和2-C 之间的窄缝隙下的电子也被完全耗尽,但是l-F 和2-F 之间的缝隙构成了控制电子进出的隧穿势垒,通常称它们为量子点接触(quantum point contract ,QPC 1和QPC 2 )。
这样就构成了一个可以控制电子隧穿进出的半导体量子点,其能带图如图5所示。
它给出了导带底E C 沿横穿量子点截面上的变化【如图4(b)中点划线所示】.μl 和μr 分别表示量子点外左、右电极区内的电化学势,μ(N)则为当量子点内含有N 个电子时的电化学势。
μl -μr =V 表示左、右电极之间的偏置电压。
下面先从简单情况出发来讨论问题。
点内总静电势:Ψ=Q/C+Φext 是由两部分组成。
其中,Φext 是中心栅极C 给量子点附加的外电势,它随栅压V g 连续变化。
Q/C 则为点内电子电荷的自洽电势,电荷Q 只能取电子电荷-e 的整数倍。
相应的静电势能等于⎰-Φ-=ψNeext Ne C 022(Ne)(Q)dQ ,若用U(N)表示量子点中基态的总能量,则有 e x t 2C Ne -2(Ne)(N)E U(N)Φ+=C(1)其中E C (N)为量子点内N 个电子的总动能。
按定义点内电化学势μ(N)应当等于改变一个电子后基态总能的变化,也即ext e N C e N U N U N Φ--≅--=)21()1()()(2μ (2)在推导上式时,假定了量子点中电子状态是准连续的,所以E C (N)≈ E C (N-1)。
由(2)式可以看出,如果量子点的电容c 小到1×10 -16F 的量级,那么每增加一个电子所引起的电化学势变化e 2/C 会大于低温下的k B T 值.假设当点内含有N 个电子时,其电化学势μ(N)均低于点外左、右两侧电极的μl 和μr 。
调节中心栅上的偏压以变改(2) 式中 e Φext 项。
在特定的偏压下可以使μ(N+ 1)恰好落在μl 和μr 之间的能量范围内[如图5所示].这样可想而知,当有电子从左侧隧穿过量子点接触QPC 1落到μ(N+ 1)上,它就会再隧穿过QPC 2,完成整个共振隧穿过程,而且整个过程只允许有一个电子隧穿,这是因为由于库仑阻塞的缘故,一旦向量子点引进一个电子,它所造成的库仑能增加足以阻止其后第二个电子再进人量子点。
图 5在图4(b)中电极1,2上分别外加相位刚好差l80度,频率为f 的交流调制信号来控制量子点接触QPC 1,QPC 2的势垒高度。
图7的(a)至(d)表示在一个调制信号周期内量子点的四种不同状态。
图 6(a )状态下量子点左、右势垒的高度相同,取热平衡的数值。
图中的虚线箭头代表电子借助量子点内第μ(N+ 1)充电态的可能发生的隧穿事件。
图中所示的μ(N)低于μl和μr。
(b)进人如(b)所示的调制信号的1/4周转时刻,相位相反的强制信号恰好使左边势垒下降,右边势垒上升。
这时第N + 1个电子进入量子点的几率最大,它从量子点右端逃逸出来的几率几乎等于零。
但是第二个电子(也即第N + 2个电子)因受库仑阻塞,它进入量子点的几率也为零。
(c)(c)为信号演化到半周期时的情况,左、右势垒又都回复到等高的热平衡状况。
与(a)不同之处,只是现在量子点内已有(N+ 1)个电子。
(d)当进人(d)所示的3/4周期时,随右边势垒的降低第N+ 1个电子隧穿出量子电。
同时左边势垒的抬高阻止了电子从左边进入量子点。
当调制信号经历了一个完整周期的变化后又回复到(a)所示的初始情况。
这样,在调制信号的控制下一个周期内只有单个电子流过量子点。
这样的现象称为旋转门效应,表示它像饭店的旋转门一样,每转一圈之允许一个电子通过。
若调制信号的频率为f,流过量子点的电流严格等于ef。
增加量子点左、右电极之间的偏压,使得在μl -μr能隙中能包容不止一个充电态而是n个充电态,那样电流I应当等于nef。
随着加在量子点上偏压的增加,μl -μr能隙中所容纳的充电状态数n逐一增加,I-V特性上将呈现一系列的库仑台阶。
台阶高度为ef,所以说通过QDTS 的电流是按ef量子化的。
量子化电流平台的宽度约为e/C。
五单电子器件的应用由于单电子器件具有高频、高速、功耗小、集成度高和适用作多值逻辑等特性, 所以单电子器件得到了广泛的应用。
1.量子计量由於单电子电晶体可以计算单位时间内所通过的电子数,所以可以用来制定电流标准(芬兰与美国的一个研究小组研制出单电子晶体管(SET)它能将振荡电压转换成非常精确的电流,这有望更精确重新定义电流的基本单位--安培),以及用于对极其微弱电流的测定和制成超高灵敏度的静电计(目前制备的超敏感静电计的灵敏度已达10-4e)。
2.超大容量存储器以动态随机存储器为例(DRAM Dy namic Random Access Memory 系统内存)它的集成度差不多以每两年增加四倍的速度发展,目前的一般存储器每个存储单元中积累大约20万个电子的电荷。
为了降低功耗,增大存储量,有效的方法是减少每一位中存储的电荷量。
单电子晶体管每个存储元只包含了一个或少量电子,因此它将大大降低功耗,提高集成电路的集成度。
3.形成新型数字集成电路在现代亚微米器件中,限制器件工作速度的是电容充放电时间,而单电子晶体管的电容可达10-18F量级,所以可望获得更高的工作速度。
4.高灵敏度红外辐射探测器在红外波段至今仍缺乏高灵敏度的检测器的情况下,采用SED阵列制成对高频电磁辐射的高灵敏接收器,是非常有意义的。
其根据在于超小隧道结(TJ)的I—V特性呈现出很高的非线性。
在库仑阻塞(CB)的阈值。
附近,隧穿电流的变化对吸收高频辐射十分灵敏。
这种情形也称作“光致隧穿”现象。
5.量子功能计算机等6.超高速微功耗特大规模量子功能器件单电子器件研究还处于实验研究阶段。