Одноэлектронным называется транзистор, в основе концепции которого лежит возможность получения заметных изменений напряжения при манипуляции с отдельными электронами. Такая возможность имеется, в частности, благодаря явлению кулоновской блокады (см. 5.7). Транзистор представляет собой трехэлектродный туннельный прибор, состоящий из проводящего островка с малой собственной емкостью (квантовую точку), соединённого с истоковым и стоковым электродами туннельными переходами с малой емкостью и проводимостью, а также имеющего ёмкостную связь с электродом затвора.

На рис. 7.7, а представлен один из вариантов одноэлектронного транзистора в структуре с двумерным электронным газом. При отрицательном напряжении на затворах G₁, G₂ и G₄ вблизи них образуется область, обедненная носителями заряда, в результате в центре структуры создается проводящий островок очень малых размеров (квантовая точка), связанный с помощью туннельного эффекта с резервуарами истока и стока. Связь квантовой точки с основным затвором транзисторной структуры G₃ является чисто емкостной, так как  расстояние между ними достаточно велико, чтобы исключить вероятность туннельных переходов. На рис. 7.7, б схематически изображена структура одноэлектронного транзистора. Затвор используют для изменения электрохимического потенциала электронов в центральном электроде с помощью наведенного квазизаряда . В отличие от заряда, связанного с последовательным туннелированием электронов от истока к стоку через квантовую точку, этот заряд может изменяться непрерывно, так как является поляризационным зарядом. Если на центральном электроде находится N дополнительных электронов, то его полная энергия задается выражением

,

(7.5)

где – электрическая емкость островка.

Если между истоком и стоком приложено небольшое напряжение смещения, при котором имеет место режим кулоновской блокады, то ток через структуру течь не может, так как энергия центрального электрода скачком увеличивается с каждым дополнительным электроном. Однако если с помощью напряжения на затворе изменить индуцированный заряд островка на величину элементарного заряда, появится туннельный ток, связанный с переходом электронов на островок из истока или уходом с него в сток. Из условия сохранения энергии (7.5) для изменения напряжения на затворе с изменением числа электронов на единицу получаем

,

(7.6)

т.е. проводимость одноэлектронного транзистора будет осциллировать с периодом . На рис. 7.8 представлена зависимость проводимости одноэлектронного транзистора, представленного на рис. 7.7, как функция напряжения на затворе. Каждому пику этой зависимости с ростом отрицательного смещения соответствует удаление очередного электрона из квантовой точки. Конечное значение проводимости между пиками в условиях кулоновской блокады связано с явлением сотуннелирования или иначе – макроскопического квантового туннелирования. Причинами этого явления могут быть: 1) нерезонансное или резонансное туннелирование электрона из истока в сток через состояния электрона в КТ, 2) одновременное туннелирование одного электрона из истока в КТ, а другого из КТ в сток, что приводит к появлению в КТ электронно-дырочной пары [1]. Для подавления сотуннелирования используют структуры с двумя и более центральными электродами, отделенными друг от друга туннельно-прозрачными барьерами (МТJ – Multi-Tunnel-Junctions). В таких MTJ-транзисторах вероятность мгновенного переноса заряда из истока в сток практически равна нулю.

Одноэлектронные транзисторы открывают широкие перспективы одноэлектронной цифровой логики, в которой бит информации может быть представлен лишь одним электроном. Кроме того, эти транзисторы имеют очень высокое быстродействие – по оценкам, до нескольких сотен терагерц при чрезвычайно малой потребляемой мощности. Однако в настоящее время одноэлектронные транзисторы работают только при низких температурах, хотя в ряде структур одноэлектронные эффекты наблюдались и при комнатной температуре. Для создания приборов, надежно работающих при комнатной температуре, необходимо решать проблемы, связанные с уменьшением размеров квантовых точек и уменьшением емкости затвора. Работы, направленные на оптимизацию структуры одноэлектронных транзисторов, интенсивно проводятся во многих лабораториях мира.

В последние годы исследования в этой области увенчались созданием одноэлектронного транзистора на основе графена (см. 1.2.5), работающего при комнатной температуре и выше [28]. Основу одноэлектронного графенового транзистора составляет квантовая точка, являющаяся частью большого графенового листа, с которым соединяется через очень тонкие электроды (рис.7.9). Способность транзистора работать при высокой температуре достигается за счет сильного размерного квантования энергетического спектра электронов графеновой КТ в присутствии магнитного поля при уменьшении ее размеров до 100 нм и ниже. Очень важно, что транзистор имеет размеры около 10 нм – по мнению специалистов, это область, где традиционная кремниевая микроэлектроника работать уже не будет. Исследователи графена полагают, что можно сократить размеры квантовой точки и до 1 нм, при этом физические характеристики транзистора не должны измениться. В настоящее время считается,, что рано говорить о наступлении эры углеродной наноэлектроники, однако графеновые транзисторы имеют фантастические перспективы в данной области.