先进半导体材料与器件Chapter5

Chapter5 量子器件

作者：毛茏玮 / Saint
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一.隧道效应
二.共振隧道二极管（RTD）

一.隧道效应

1.穿透系数
2.电流-电压特性

隧道效应是指能量低于势垒的电子有一定的概率有势垒的一边穿透到势垒的另外一边，这纯粹是一种量子力学效应，隧道效应是粒子波动性的直接结果。
根据量子力学计算，一个能量为E朝势垒方向运动的电子穿透势垒的概率为：

穿透概率的大小取决于面临的势垒厚度和高度，小的有效质量也利于穿透。对于半导体中常见的势垒高度和有效质量值，只要势垒宽度小于约10nm量级，隧道效应就会显著。

二.共振隧道二极管（RTD）

1.共振隧穿结构
2.RTD的电流-电压特性

RTD隧穿几率大能够提供较大的输出功率，结电容小具有截止频率高的特点。

共振隧穿是指电子在隧道穿透一个结构时，在某一能量附近发生共振，穿透系数存在锐的峰值。在适当的双势垒及多势垒结构中可以观察到共振隧穿。
与隧道二极管伏安特性一样，存在峰值电流和谷电流，峰、谷之间为负微分电导
区。在25K时，峰谷比可达到6:1；在反向偏压下，峰谷比达到4.5:1。

共振隧穿中透射系数的特点
如果一个粒子以能量E入射到双势垒，而该能量又不与其中的能级En重合，则总的透射概率为透过第一（发射）和第二（收集）势垒的概率的乘积，T(E)=TETC。如果入射能量与其中的能级En相匹配，和Fabry-Perot谐振腔中的情形相似，其透射概率为：

对于对称结构TE= TC时，透射概率为1。
透射系数随入射能量E的变化非常剧烈。当E与阱中某个量子化能级E0对齐时，T
就接近1；偏离很小时，T接近零。
共振隧穿二极管的电流-电压特性
共振隧穿二极管的工作原理
（1）V=0时：EF<EO:I总=0

（2）V>0:EF=E0时：I >0;V 增大导致I增大

发射极Ec=E0时：I=Ip

V>>0 Ec>E0时：V增加导致I减小至Iv，产生负微分电阻。

影响峰-谷电流比的因素：
（1）与HJ的材料系统有关；
（2）工艺
（3）双阱结构
（4）温度

总结：
共振隧穿器件（Resonant Tunneling Device, RTD）具有高频、高速、低功耗等优点，因此，在实现相同的电路功能时，相对于传统器件，RTD电路具有以下特点：

①高频、高速工作。用RTD器件制作的振荡器频率为200~712GHz。

②低功耗。由于RTD器件电路的低功耗特点是由于RTD器件构成的电路在实现相同功能的前提下，所用的器件少于常规电路，而且电路工作在低电流维持状态，因此电路的总功耗低，并且RTD 的电容小，导致电路的动态功耗也比较低，这也是RTD器件电路功耗低的原因。

③电路结构简化。由于RTD是一种负阻器件，本身具有双稳和自锁特性，故构成数字电路时可大量节省器件数目，有时只相当于常规电路器件数目的1/3~1/5，这又进一步减小了电路中结点数目、内连线长度、寄生效应和功耗。

④RTD在I-V曲线上产生多峰特性，对于设计多态储存和A/D转换电路非常有利，节省的器件数目更多。