共振隧穿

《共振隧穿》由会员分享，可在线阅读，更多相关《共振隧穿（8页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、共振隧穿器件及共振隧穿晶体管共振隧穿晶体管（RTT)是共振隧穿器件的一种，它与共振隧穿二极管（R）同样都是运用量子共振隧穿效应而制成的一种高速纳米电子器件。共振隧穿器件由于具有高频、高速、低功耗、负阻、双稳、自锁及用少量器件完毕多种逻辑功能等特点，因而在将来电子信息技术领域中具有很大的发展潜力。1共振隧穿器件. 共振隧穿效应共振隧穿器件是以共振隧穿效应为物理根据，共振隧穿效应是量子隧穿效应的一种特殊状况。如图1所示,若区、区和区均是金属、半导体或超导体,而区与区是极薄的绝缘层（厚度约为0.1nm）。图1势垒形状设电子开始处在左边的金属中,可觉得电子是自由的，在金属中的势能为零。由于电子不易通过

2、绝缘层,因此绝缘层就像一种壁垒，我们将它称为势垒。一种高度为U0、宽为a的势垒,势垒右边有一种电子,电子能量为E。因电子的能量不不小于区域中的势能值U0，若电子进入区,就必然浮现“负动能”，这是不也许发生的。但用量子力学的观点来看，电子具有波动性，其运动用波函数描述，而波函数遵循薛定谔方程，求解薛定谔方程可知电子在区甚至区等区域浮现的概率不为零。像这种电子穿透比它动能更高的势垒的现象,称为隧穿效应。它是粒子波动性的体现。图共振隧穿效应类比图而共振隧穿可以简朴理解为，在某一种能量值时电子的隧穿机率浮现锋利峰值。这种现象类似于光通过两个平行界面构成像Fabr-erot原则具这样的光学滤波器同样，光

3、强作为波长的函数,形成锋利的跃迁峰值，如图2所示。1.2共振隧穿器件分类共振隧穿器件的分类如表1所示。表1 共振隧穿器件的分类种类构造分类工作原理特点RTRD在同一能带（导带或价带）中发生共振隧穿,期间的发射区、势阱和集电区为同种或相近材料两端,特性不能调制，速度、频率高RITD在不同带间发生共振隧穿，E、区为一种能带或材料,势阱为另一种能带或材料两端，特性不能调制,一般PCVR较大RGT通过栅极的shttky结或势阱区的p结来控制RT的电流三端，特性可调,速度比低TMEFET以RTD的双势垒构造为源区的MESFE器件,其IVDS特性上也存在负阻特性三端，具有电流增益,又分为纵横两种构造RTT

4、以RTD的双势垒构造作为发射区的双极管或HBT三端，具有电流增益RET以RTD的双势垒构造作为发射极的热电子晶体管三端,具有电流增益RTDORTD以光信号变化RD的负阻特性光触发，两端负阻器件RTD型光调制器基于RTD的光调制器光调制器的一种共振隧穿器件可以应用于三个方面：一种是用于模拟电路，做成微波和毫米波振荡器等;另一种是用于高速数字电路，与MES,HBT,HEMT等进行集成构成高速数字电路；还可以用ORT或与常规光电探测器件构成高速光电集成电路。13共振隧穿器件的特点(1）高频高速 在半导体器件多种载流子输运机制中,隧穿机制是比扩散、漂移等更快的物理机制，运用此种机制制造的共振隧穿器件具

5、有更高的频率和开关速度。如T的理论估计值为25 THz,实际TD为71 Hz,RTD的开关时间tr低到1.5s。故RT已成为目前速度最快的器件之一。(2)制备工艺相对简朴 共振隧穿器件构造上的最大特点是只有在某一维的尺寸为纳米量级,而其她两维尺寸为微米量级，这个特点体目前器件制备工艺方面即在器件纳米方向上的尺寸采用高精度的分子束外延（MBE)或金属有机化合物淀积(MOD)等技术来控制。器件在微米量级方向上的加工则可通过常规工艺来完毕。因此,一般共振隧穿器件可以通过常规IC工艺来制备。其她纳米电子器件(如单电子晶体管ET,量子点器件和量子分子器件等)三维尺寸皆纳米量级，不能用常规IC工艺来制备。

6、(）-V曲线呈现负阻特性构成RD或RT的核心构造是双势垒单势阱系统(D）。该系统由宽带隙化合物材料(如AlAs）在导带中形成两个势垒和夹在其中间、由窄带隙材料(GaAs或InaA)构成的势阱构成，一般状况下势垒和势阱的宽度都为几种纳米的量级。纳米级的势垒可以发生量子遂穿效应，纳米级势阱中的能量可以发生量子化效应分裂为分离的能能级。如图3所示,E0为势阱中的基态能级,DBS(双势垒构造)的左右侧分别重掺杂n型杂质窄带隙材料构成的发射区E和集电区C，其费米能级EF位于导带底EC以上。当不加偏压时如图3(a）所示，E0位于F之上,不发生共振隧穿；加偏压后如图3(b)所示,能带倾斜,E0下降和EF与E

7、C之间的能量E对准，发生共振隧穿，隧穿几率变得非常大，隧穿电流也变大。随着偏压V增长，隧穿电流也逐渐增大,直到E与发射区的EC对准时电流达到最大。而后E对准E如下的禁带时,共振隧穿过程停止，电流忽然下降,产生负阻特性,如图3()所示。 （a）无偏压时的能带图 （）加偏压时的能带图（c）RD的I-V特性图 3 RTD的工作原理.4 共振隧穿器件的应用性能（1)共振隧穿器件都是电压控制器件：通过变化栅极电压V来把量子阱相对源的能级进行调节,使得实现电流开关或放大。因此， 用小的栅极电压可以控制流过器件的大电流。 (2）可用作为开关或放大器:这种纳米尺寸的量子效应器件的开关性能比MFET更优越。(）

8、可实现多态逻辑功能：如果势阱中的能级被分离得足够宽, 则当偏压(或栅极电压)增长时, 势阱内的不同能级将会依次持续地与源导带发生共振和非共振，将浮现电流的多次开和关, 即浮现多种状态。对RTT,这种多态特性可通过变化栅极电压而获得。相对于两态的MOSET, 若采用这种多态量子效应器件来实现某个逻辑功能的话, 需要的器件数目要少， 则每一功能的热耗散就少。运用多态量子效应器件的这种优势，可做成混合微电子-纳米电子器件。2共振隧穿晶体管研究共振隧穿晶体管的一种重要的实际意义就是弥补共振隧穿二极管的局限性,共振隧穿二极管(RD）虽然具有高频、高速、双稳、自锁等长处,但它没有增益、扇出和驱动能力小、对

9、I-特性没调制功能、输入和输出回路间不能隔离等,这给电路设计带来了不便。而具有控制极的三端共振隧穿器件共振隧穿晶体管(RTT)则可克服以上缺陷。RT的频率一般为几十个Gz的量级，不如RTD的频率高,但在微波和高速数字集成电路中仍具有重要的应用价值。而在另一方面，RTT和其她的高速三端器件HT、HMT、MESE 等相比，不仅具有高频和高速的特点,并且尚有负阻双稳、自锁特性,在同样功能的电路中可节省大量器件数目，相称于提高了电路的集成度。相对的是,RT的制做对工艺的规定比较高，国外有关报道比较多，国内仅有少数大学或研究所展开了有关项目的研究。2.1共振隧穿晶体管的构造分类共振隧穿晶体管（RTT)有

10、多种构造,它们都是在双势垒-量子阱共振隧穿二极管（RTD)的基本上, 再加上一种栅极而构成的。变化栅电压V来控制共振隧穿的穿透率， 从而控制通过器件的电流。多种具体构造RTT的工作原理和特点是: （1)量子阱栅极构造:变化Vg时, 阱中的能级上下变动, 从而可控制电流。为了保证势阱的导电性, 阱中的基态能级应当比电极的费米能级EF要低。量子阱材料可用InGaAs或金属来制作。 （2)Schotky栅(或-n结栅)构造:反偏V变化耗尽层宽度,使SD电流通路的横截面积变化,从而控制电流的大小。 (3)表面共振隧穿FET:表面沟道垂直于势垒和量子阱;变化Vg,使量子阱中2DEG的费米能量（即入射电子

11、波的波长)变化,导致电子波的透过特性变化,从而S-D电流变化。 (4)共振隧穿热电子晶体管(E):用TD取代BJ中的发射结即构成。其输入特性具有高度的非线性特性 （电流峰值相应于共振隧穿),从而增强了器件的电路应用功能。 22一种肖特基栅型共振隧穿三极管 在Gas基GRTT的DB中，势垒一般为AlAs或lA；势阱为GaAs或n0.1Ga0.；E和C极为n-As；接触层为n+aAs,如图4所示。作为栅极的肖特基结，用T/Pt/u金属通过自对准蒸发工艺来完毕。肖特基栅位于RT的中部，使其在反偏下所产生的耗尽区贯穿DBS区,限制在两个naAs以内,如图5所示。在这种状况下，当栅电压为g时，肖特基结的

12、耗尽区厚度可表达为d，则 （）式中：为电容率；为aAs介电常数;为肖特基势垒高度或势垒电压；为电子电荷；为耗尽区处的平衡电子浓度。从式(1）可知,当耗尽区位于n-区时由于电子浓度低,可得到较大的d值，当栅极反偏时，括弧内数值变为（+|），d随增大。由图5可知,耗尽区同步向纵向和横向扩展，使从源（或发射）极向下流向漏 (或集电)极的电子通道变窄。如果两侧栅电极的间距为，则电流通道的尺度便是，与电流垂直方向上的导电截面面积为 (2)式中W为GRT器件与纸面垂直方向上的宽度。根据式（1）和(2），当反偏增大时流过的通道变窄,电流变小。这就是栅控RTT电流的原理。 图4GRTT材料构造图TT原理软件仿

13、真得到该RT的器件特性：-V输出特性如图6所示。从图6可见，底端接地时,栅压调制能力较弱,且趋于饱和；而顶端接地时,则栅压调控能力较强，且不饱和。(）底端接地（b)顶端接地图6 T-V特性对特性曲线的解释：虽然器件的材料构造设计是非常对称的,但是由于器件的上半部直径不不小于下半部,当上部接正偏压底部接地时,随着栅压增大耗尽效应很强,电流沟道较窄；而当底部接正偏压,顶部接地时,耗尽效应较弱，并且不饱和，故形成图6（b)的状况。3总结 共振隧穿器件由于其特殊的工作原理而使其具有其他纳米电子器件所不具有的优良性能,应用前景广阔。在目前的研究工作中,由于制作工艺的限制，制备更为容易的的研究远远超过RTT，TT的研究仍有待进一步。此外，共振隧穿器件的优秀特点使其特别适于超高速集成电路发展的需要, 共振隧穿器件集成技术的研究与应用将成为人们关注的焦点。