Приборы на резонансном туннелировании

Содержание

 

Содержание                                                                                            1

1. Резонансное туннелирование                                                2
2. Приборы на резонансном туннелировании                      4

2.1 Диоды на резонансном  туннелировании                    4

2.2 Транзисторы на резонансном  туннелировании         8

2.3 Логические элементы на резонансно-туннельных 

приборах                                                                                     10

Заключение                                                                                             11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Резонансное туннелирование.

Туннелирование  электронов в низкоразмерной структуре  определяется не только характеристиками составляющих её потенциальных барьеров,но и разрешенными энергетическими  состояниями для электронов внутри самой структуры. В низкоразмерной структуре, ограниченной двумя потенциальными барьерами, имеет место резкое возростание  протекающего через неё туннельного  тока при совпадении уровня Ферми  в инжектирующем электроде и  дискретного уровня в низкоразмерной структуре. Это явление получило название резонансное туннелирование (resonant tunneling).Типичными структурами для наблюдения этого эффекта являются квантовые колодцы. Квантовый колодец — это квантовомеханическое явление, при котором активный слой лазера становится дном потенциальной ямы. Квантовый колодец возникает в полупроводниковых лазерах с двойной гетероструктурой и очень тонким активным слоем (толщиной в несколько сотен ангстрем, например 0,02 мкм). Лазеры этого типа делятся на лазеры с одиночным квантовым колодцем и лазеры с мультиквантовым колодцем. Возможности резонансного туннелирования через них были предсказаны Д.Бомом. Однако экспериментальное подтверждение было получено лишь более двух десятилетий спустя, после того как технология формирования сверхрешеток позволила создавать структуры с высококачественными квантовыми колодцами. Энергетическая диаграмма такой структуры и ее вольт-амперная характеристика показанная на рисунке 1.

Рисунок 1-Энергетическая диаграмма и вольт-амперная характеристика двух барьерной структуры с квантовым колодцем

Классические  двухбарьерные резонансно-туннельные структуры изготавливают на основе сверхрешеток GaAs-AlGaAs. В качестве «узкозонного» материала электродов и для самого колодца используется GaAs, а барьеры формируются из «широкозонного» тройного соединения GaAlAs. Возможно также создание резонансно-туннельных структур на основе комбинаций полупроводник-диэлектрик, например Si-CaF₂, Si-SiCb. Квантовое ограничение приводит к квантованию энергетических уровней в колодце. В двухмерной структуре - квантовой пленке толщиной а - образуется подзона с энергией, соответствующей E₁=h²π²/(2m*a²). Предполагается, что в отсутствие внешнего напряжения она располагается выше уровня Ферми (E_F) в отделенных барьерами электродах. Электрод, с которого осуществляется инжекция электронов, называют эмиттером, а собирающий электрод - коллектором. При приложении к структуре небольшого внешнего напряжения V основное падение напряжения приходится на области барьеров, так как их электрическое сопротивление много больше сопротивления колодца. В них происходит наибольшее искривление энергетических уровней, однако электрический ток через структуру незначителен. С увеличением приложенного напряжения уровень Е₁ в колодце понижается, обеспечивая появление туннельного тока через эмиттерный барьер. Туннелирование электронов из колодца в коллектор не вызывает ограничений, так как идет с высокого энергетического уровня на более низкий. Величина туннельного тока становится максимальной при совпадении уровня Ферми в эмиттере и энергетического уровня Е₁ в колодце. При этом электроны туннелируют в колодец, сохраняя свою энергию и импульс. Благодаря этому они там не задерживаются и быстро уходят в коллектор. Происходит резонансное прохождение электронов через колодец, что при симметричных эмиттерном и коллекторном барьерах соответствует   V= 2Е₁/e. При дальнейшем понижении уровня Е₁ электроны уже не могут туннелировать с сохранением энергии и момента. Они задерживаются в колодце.Ток через структуру уменьшается, создавая участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (negative differential resistance) на вольт-амперной характеристике. Дальнейшее увеличение напряжения приводит к все возрастающей, термически активируемой, надбарьерной эмиссии электронов и к соответствующему росту тока через структуру. Туннельный ток через двухмерную двухбарьерную структуру в зависимости от внешнего приложенного напряжения рассчитывают при следующих допущениях. Предполагается, что эмиттер, колодец и коллектор разделены потенциальными барьерами в направлении z. Электроны в них ведут себя как свободные частицы с эффективной массой m*. Электрон с волновым вектором к в эмиттере туннелирует через барьер в коллектор без рассеивания, то есть с сохранением полной энергии и без изменения волнового вектора в плоскости ху. Составляющая волнового вектора в направлении z не остается неизменной, так как структура в этом направлении неоднородна. Все эти упрощения позволяют определить прозрачность потенциального барьера T(E_Z) для электрона с энергией Е_Z путем решения одномерного уравнения Шредингера. Вместе с этим решения для X и Y направлений представляют собой плоские волны с собственными значениями энергии E_xv = (h²/2m*)(k_x² + k_v²). Полная же энергия туннелирующего электрона равна Е = Е_ху + E_z.Общий туннельный ток в рассматриваемой структуре рассчитывается суммированием вероятностей туннелирования с учетом распределения электронов по энергияем в области эммитора. Приведенное выражение дает хорошее качественное согласие с экспериментом. Количественное же совпадение труднодостижимо, так как требует учета изгиба зон и рассеивания электронов в колодце и на границах с эмиттером и коллектором. В реальных структурах это приводит к несимметричности вольт- амперной характеристики относительно нулевого смещения даже в том случае, когда оба барьера, а также эмиттер и коллектор идентичны по своим физико-топологическим параметрам. Более того, рассеивание электронов в колодце на фононах, неоднородностях межфазных границ и на дефектах при повышении температуры приводит к подавлению резонансного туннелирования и соответствующему уменьшению разницы между пиковым и минимальным токами на участке вольт-амперной характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

2. Приборы на резонансном туннелировании

Явление резонансного туннелирования позволяет создавать диоды и транзисторы, работающие с временами переключения, составляющими единицы и десятые доли пс, то есть в диапазоне частот вплоть до нескольких ТГц (10¹² Гц).

2.1. Диоды на резонансном туннелировании

В общем случае резонансно-туннельный диод (resonant tunneling diode-RTD) представляет собой периодическую структуру, которая состоит из последовательно расположенных квантовых колодцев, разделенных потенциальными барьерами, с электрическими контактами к двум крайним противоположным областям. Чаще всего это двухбарьерные структуры с одним квантовым колодцем и симметричными характеристиками барьеров, поскольку по мере увеличения количества колодцев все труднее реализовать условия для согласованного резонансного переноса носителей заряда. Условное обозначение, эквивалентная схема такого диода и общий вид его основных электрических характеристик показаны на рисунке 2.

Рисунок 2-Условное обозначение резонансно-туннельного диода (а), его эквивалентная схема (б), вольт-амперная и вольт-фарадная характеристики (в)

 

Эквивалентная схема резонансно-туннельного диода  включает в себя источник тока I(V) и емкость C(V), управляемые напряжением, и последовательное сопротивление R_s. Здесь параллельная цепочка из I(V) и C(V) представляет собой собственно диод, a R_s является суммой последовательных сопротивлений, таких как контактные сопротивления. Емкость C(V) является чрезвычайно важной при определении быстродействия прибора. За исключением области напряжений вблизи токового резонанса она приблизительно равна емкости, рассчитанной для нелегированного разделительного слоя и обедненного слоя прибора. Пик емкости в области отрицательного дифференциального сопротивления обусловлен резонансными электронами, накопленными в яме. Это должно приниматься во внимание при строгом обсуждении быстродействия. Отметим также, что I(V) и C(V) не зависят от частоты вплоть до предельных рабочих частот диода.

Основной  особенностью резонансно-туннельных диодов является наличие на его вольт-амперной характеристике области отрицательного дифференциального сопротивления, которая является основой для большинства его практических применений. Наиболее важные электрические параметры: пиковое значение плотности тока (peak current density>) и пиковое напряжение (peak voltage) - напряжение в области пика плотности тока, долинная плотность тока в минимуме (valley current density), отношение этих плотностей тока (peak-to-valley ratio).

Пиковая плотность  тока уменьшается экспоненциально  с увеличением толщины барьера. Абсолютная величина пиковой плотности  тока, полученная моделированием, хорошо согласуется с экспериментальными данными, в то время как расчетная  величина долинной плотности тока оказывается  на один-два порядка меньше экспериментальных  значений.

Отношение токов  в максимуме и минимуме для  реальных приборов варьируется от единиц до нескольких десятков при комнатной температуре (при низких температурах это отношение возрастает), хотя расчетные значения этого параметра на порядок больше. Причина таких расхождений в пренебрежении эффектов рассеивания при расчетах. Эффекты рассеивания расширяют резо нанс, в то же время одновременно ослабляя его.

Для достижения высоких рабочих плотностей тока необходимо, чтобы барьеры были тонкими (несколько моноатомных слоев), а  границы раздела - резкими, четкими. Однако экспериментально показано, что  границы раздела не имеют химически  резких, абсолютно плоских границ даже при оптимальных условиях формирования. Так, например, переход между GaAs и AlAs в наиболее перспективных для практического применения сверхрешетках на их основе происходит в пределах 1 - 4 монослоев. Поэтому потенциальный барьер на их границе не является строго ступенчатым, а размыт и зависит от рельефа поверхности границы. Это ведет к значительному уменьшению величины отношения токов в максимуме и минимуме области отрицательного дифференциального сопротивления на вольт-амперной характеристике диода и объясняет различие между теорией резонансного туннелирования и экспериментальными данными, что и проиллюстрировано рисунке 3.

 

Рисунок 3-Сравнение теоретических и экспериментальных данных для GaAs- AlAs резонансно-туннельного диода: а - плотность пикового тока;

 б - отношение  тока в максимуме к току  в минимуме (PVR)

 С точки  зрения практического использования  наиболее привлекательными характеристиками резонансно-туннельных диодов являются их чрезвычайно высокие скорости переключения. Обсуждая факторы, влияющие на быстродействие этих диодов, важно разделить два времени отклика: время на туннелирование, которое связано с квантовыми механизмами, и время, которое требуется для зарядки емкости диода и соотносится с теорией цепей.

Рассмотрим  указанное «время туннелирования» и «RC-время». Предположим, что электрическое поле в резонансно-туннельной структуре переходит от нерезонансного к резонансному состоянию за определенное время. Амплитуда волновой функции в квантовом колодце изменяется до своего стационарного значения в ответ на это изменение. Время туннелирования - это и есть время, необходимое для этого изменения, то есть для перехода системы в устойчивое состояние. Это величина порядка времени жизни стабильного резонансного состояния в квантовой яме t_life  которое равно времени прохождения электроном квантовой ямы. В упрощенном представлении это время задается шириной энергетического уровня Г₀ как

                                                        t_life = h/Г₀

 

где h - постоянная Планка, а Г₀- ширина энергетического уровня, которая определяется как полуширина функции вероятности переноса электронов через резонансное состояние.

Г₀ экспоненциально уменьшается с увеличением толщины и высоты барьера. Это означает, что для выбранных материалов уменьшение времени туннелиро- вания может быть получено путем уменьшения толщины барьера. Однако выбор оптимальной толщины требует учета зависимости отношения токов в максимуме и минимуме от этого параметра. Теоретический предел быстродействия идеального резонансно-туннельного диода оценивается в 0,1 пс. В реальных приборах неровности границ и неупругое рассеивание увеличивают время туннелирования.

В большинстве применений быстродействие резонансно-туннельных диодов ограничивается не только временем туннелирования, но и временем заряда емкости, то есть постоянной R_SC(V). Это хорошо видно из эквивалентной схемы, приведенной на рисунке 2 б.

При обсуждении преимуществ резонансно-туннельных диодов заслуживает внимания их сравнение с диодами Есаки (туннельными диодами). Диоды Есаки состоят из сильно легированного р-п перехода и имеют подобные вольт- амперные характеристики. Одно из наиболее важных преимуществ резонанс- но-туннельных диодов - это возможность получить высокую плотность максимального тока при относительно низкой емкости. Так, для резонансно-туннельных диодов достигнута экстремально высокая плотность тока 6,8 х 10⁵ А/см² при емкости около 1,5 х 10^-7. Эти величины указывают на то, что показатель скорости, который определяется как отношение удельной емкости к пиковой плотности тока C/J_p, меньше чем 0,22 пс/В. Показатель скорости соответствует скорости изменения напряжения, когда емкость диода заряжается его максимальным током. Эта величина намного меньше, чем для диодов Есаки, которая для последних больше чем 10 пс/В. Возможность такого различия связана с тем, что плотность тока в резонансно-туннельных диодах можно увеличить изменением толщины барьера и ямы, а это может быть достигнуто без уменьшения толщины обедненного слоя. С другой стороны, для того чтобы увеличить плотность тока в диодах Есаки, должна быть увеличена концентрация примеси для увеличения толщины туннельного барьера (равно как и обедненного слоя). Следовательно, максимальное быстродействие резонанс- но-туннельных диодов может быть намного больше, чем у диодов Есаки. Более того, в резонансно-туннельных диодах можно избежать деградации, наблюдаемой в диодах Есаки из-за диффузионного перераспределения примесей вблизи сильнолегированного p-n- перехода.

 

2.2 Транзисторы на резонансном туннелировании

Добавление управляющего электрода к резонансно-туннельному диоду превращает его в резонансно-туннельный транзистор (resonant tunneling transistor) и расширяет возможности его применения.В электрических схемах резонансно-туннельные транзисторы обозначают значком, представленным на рисунке 4. Потенциал, подаваемый на дополнительный электрод, смещает вольт-амперную характеристику диода вдоль оси тока (рисунок 2 б).

 

Рисунок 4-Условное обозначение резонансно-туннельного транзистора в электрических схемах

Можно также объединить резонансно-туннельный диод с обычным транзистором, чтобы сделать комбинированный прибор. Этот вариант использован для создания резонансно-туннельного биполярного транзистора (resonant tunneling bipolar transistor) и резонансно-туннельного транзистора на горячих электронах (resonant tunneling hot electron transistor).

Резонансно-туннельный биполярный транзистор представляет собой биполярный транзистор с резонансно-туннельной структурой, встроенной в области перехода эмиттер-база или в базе. Похож на него и резонансно-туннельный транзистор на горячих электронах, у которого резонансно-туннельная структура встраивается в эмиттер. Эти приборы имеют отрицательную крутизну характеристики в схеме включения с заземленным эмиттером. Кроме названных приборов имеются и транзисторные структуры, представляющие собой управляемые затвором резонансно-туннельные диоды (gated resonant tunneling diodes). Затворы в них создают в виде барьеров Шоттки или р-n-переходов вокруг эмиттера для внешнего управления условиями резонанса тока в диоде. На рисунке 5. показан пример такого прибора. В нем область эмиттера, а следовательно, и эмиттерный ток, можно модулировать с помощью потенциала на затворе, выполненного в виде p-n-перехода, окружающего эмиттер.

Рисунок 5-Управляемый затвором резонансно-туннельный диод на основе  GaAs-AlAs

Такое управление эмиттерным током позволяет управлять  максимальным током, протекающим через  структуру в резонансных условиях.

 

 

2.3  Логические элементы на резонансно-туннельных приборах

Резонансно-туннельные диоды и транзисторы применяются  как в аналоговых, так и в цифровых интегральных микросхемах как элементы, имеющие вольт-амперную характеристику с участком отрицательного дифференциального сопротивления. Однако мы в качестве примера остановимся только на принципах построения оригинальных сверхбыстродействующих логических вентилей, использующих переход из моностабильного в бистабильное состояние (monostable-bistable transition logic elements - MOBILEs).