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諧振隧穿二極管

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諧振隧穿二極管(Resonant tunneling diode, RTD)是利用電子在某些能級能夠諧振隧穿而導通的二極管。其電流電壓特性常顯示出負阻特性。
中文名
諧振隧穿二極管
外文名
Resonant tunneling diod
縮    寫
RTD
類    別
納米量子器件的一種基本器件

諧振隧穿二極管簡介

諧振隧穿二極管(Resonant tunneling diode, RTD)是利用電子在某些能級能夠諧振隧穿而導通的二極管。其電流電壓特性常顯示出負阻特性。
所有的隧道二極管(Tunnel diode)都是利用量子隧穿效應工作的。它們大多具有負阻的電流電壓特性,用於高速電子器件,因為隧穿薄層的時間很短,比如振盪器。最高工作頻率可達THz.
諧振隧穿二極管可以使用多種材料製造(比如III-V族,IV族或II-IV族半導體)和多種不同諧振隧穿結構(比如重摻雜PN結,雙勢壘,三勢壘,勢阱)。
其中一種由兩層薄層中間的單個勢阱構成,稱為雙勢壘結構。載流子在勢阱中間只能有分立的電子能級。當諧振隧穿二極管兩邊加偏壓的時候,隨着第一能級接近費米能級,電流逐漸增加。當第一能級低於並遠離費米能級的時候,電流開始下降,出現負阻特性。當第二能級下降接近費米能級的時候,電流再次增加。該結果使用NanoHUB得到。
該結構可以使用分子束外延生長,常見材料組合有GaAs/AlAs和InAlAs/InGaAs。 [1] 

諧振隧穿二極管工作原理

取決於材料和有多少個勢壘,束縛能級的數量可能有一個或多個,當束縛能級較多時,下述過程可能會重複。

諧振隧穿二極管正電阻區

在低偏壓時,當第一束縛能級(能量最低的那一個)靠近費米能級時,通過該束縛能級的電流增加 ,從而總電流增加。

諧振隧穿二極管負電阻區

隨着偏壓進一步增加,第一束縛能級已經低於費米能級。偏壓繼續增加時該能級對應的能量已接近發射極源極)的禁帶,因此該能級傳導的電流減小,總電流減小。

諧振隧穿二極管第二正電阻區

隨着偏壓進一步增加,第二束縛能級也靠近費米能級,其傳導的電流也開始增加,導致總電流再次增加。 [1] 

諧振隧穿二極管RTD的重要應用

1970年初Esaki等即已經觀察到並利用了諧振隧穿效應。但由於諧振下的隧穿電流密度較低等原因而一直未得到很好的應用。直到1980年代才在微電子-納米電子器件中得到了較好的應用。
RTD的重要應用有如:①構成電子“選模器”;②構成諧振隧穿晶體管(RTT)和單電子晶體管(SET);③與其他器件組成具有特殊性能的器件(如與HEMT組成三進制編碼器的A/D變換器,在相同功率情況下,其速度要比GaAs-MESFET或耗盡型的CMOS近於快一倍);④存儲器件、發光器件等;⑤構成雙勢壘量子阱可變電抗器。這是異質結構勢壘可變電抗器的一種,它具有對稱的C-V特性和反對稱的I-V特性,可獲得高頻的高次諧波,是一種很有前途的mm波和亞mm波信號源。 [2] 
參考資料
  • 1.    Saeedkia, D. Handbook of Terahertz Technology for Imaging, Sensing and Communications. Elsevier. 2013: 429. ISBN 0857096494.
  • 2.    李言榮,謝孟賢,惲正中,張萬里,“納米電子材料與器件”,電子工業出版社,2005