諧振隧穿二極體

諧振隧道穿透二極體，resonant tunneling diod（RTD）：

這是由兩個量子勢壘夾有一個量子勢阱而構成的一種兩端量子器件，它是依靠所謂共振隧穿效應來工作的，具有負阻的伏安特性。現在它已經成為了納米量子器件的一種基本器件。

（1）共諧振隧穿效應:

因為勢阱中存在電子的分離的准束縛態能級，故當入射電子的能量E與阱中的某量子化能級En不一致時, 則總的透射幾率≈0 (勢壘不透明)。當運動電子的能量E與阱中的某量子化能級En一致時, 則將有很大的隧穿幾率，即這時雙勢壘完全透明(透射率可達100%，即共振隧穿, 這與隧道二極體不同)。從物理意義上來看，產生共振隧穿的原因是：類似光束通過法布里-珀羅腔[F-P腔] (來回反射, 並相干疊加), 使某些波長的光透射率極大, 而其他波長的光透射率極小; 這裡量子阱起著F-P腔的作用, 雙勢壘起著半反射鏡的作用. 實質上, 也就是隧穿到量子阱中的電子波, 在阱中來回反射，每在勢壘2反射一次, 就有一部分波穿過勢壘2 而射出到右邊區域; 總的透射波即是多次透射勢壘2的電子波的疊加。共振隧穿時, 雙勢壘-量子阱結構對電子幾乎是透明的, 無反射波。對於半導體雙勢壘-勢阱的共振隧穿，相對於真空中的情況而言, 需要作以下一些修正：①採用有效質量m*來代替真空中的自由電子質量m，電子波函數的隧穿幾率只與能級En有關；②勢阱中的能級對應於子能帶；③散射對共振隧穿有影響，散射將破壞勢阱中的共振作用(反射波不能完全相消), 從而影響到總的隧穿幾率。

（2）RTD的工作性能：

對於構成器件的雙量子勢壘和單量子阱以外的區域，左邊(源區S)一般摻雜較高，右邊(漏區D)摻雜濃度可以比較低(≈1017cm-3)。電子從源(S)隧穿到漏(D)的透過率(比例於電流I)與電子的能量(~波長)有很大關係 (即與S-D之間的電壓V強烈有關)；入射電子波將受到勢壘1和勢壘2的反射, 然後這二束反射波發生干涉；對某個波長的入射波，其反射波將由於干涉而消失, 則使透過率增大，這就對應於諧振隧穿的情況——開通；相反, 對其他一些波長的入射波, 將由於勢壘的反射, 使透過率下降——關斷。

RTD的I-V特性存在有負阻（見圖示），因為當電壓使得發生諧振隧穿時, 電流很大, 而脫離諧振時電流即變得很小，從而產生出負阻。谷值電流則主要是來自於過剩電流(包括經由勢壘材料高能谷的隧穿過程和聲子、雜質協助的隧穿過程所形成的電流)。在電壓高於谷值電壓時, 電流是熱離子電流(由越過勢壘的熱電子和經過量子阱較高分離能

級注入的電子所形成, 類似隧道二極體中的熱擴散電流)。

對於GaAs/AlxGa1-xAs異質結構的RTD，組分x越大, 勢壘就越高, 諧振隧穿幾率的峰谷比也就越大, 則I-V特性曲線的峰谷比亦越大, 但是隧穿幾率減小了, 使電流有所降低。因此, 在工藝設計中, 為了獲得較大的負阻效應, 應該x越大越好; 但是從RTD的驅動能力(電流)來考慮, x應該越小越好, 這二者要折中考慮。另外, 再從工藝實踐效果來看, 若x太大, 異質結的界面缺陷將大大增加。所以一般是取 x = 0.3 ~ 0.5 。

RTD和隧道二極體一樣，因為量子隧穿的響應時間< 0.3ps，故通常可忽略隧穿過程的時間延遲，因此也具有優良的微波性能，並從而RTD的性能好壞往往主要是決定於材料和器件結構的參數。RTD的等效電路型式和輸出功率、轉換效率的關係等, 都與隧道二極體的相同。但是RTD的微波性能更好(截止頻率更高)，因為隧道二極體兩側的摻雜濃度都非常高( ≥ 10 cm ), p-n結電容大，而RTD的勢壘和勢阱的摻雜濃度都非常低 ( ≈10cm), 則耗盡層電容小。總之，RTD與隧道二極體相比，RTD的峰值電流和電流峰谷比要大得多，截止頻率也比較高。

（3）實現RTD所需要具備的條件：

①勢阱和2個勢壘的總寬度應該小於電子的平均自由程，這就要求減小雜質和缺陷的散射（可採用不摻雜的勢壘和勢阱材料, 並改進異質結界面的質量）；

②熱離子發射電流應該比隧道電流小得多, 這就要求勢壘高度 (為ΔEC) 較低和勢壘的寬度較小, 並最好在低溫下使用以減小熱離子發射和減弱晶格散射；

③應該採用m*小的材料, 使高摻雜源區的簡併量大, 以提高峰值電流。

因此，對於RTD，為了獲得較大的峰值電流和高的峰-谷比，就應該：採用不摻雜的勢壘和勢阱材料，並且要改善異質結界面的質量以及減小雜質和缺陷的散射, 使電子的遷移率和自由程增大；同時要求勢壘高度和寬度比較小, 而且最好在低溫下使用以減小熱電子發射和降低晶格散射；採用 m*小的材料, 使高摻雜發射區的簡併量大, 以提高峰值電流。

（4）RTD的重要特性：

① RTD的光致發光光譜表明：在RTD的量子阱中存在有準局域態。因此共振隨穿現象是電子從發射區的3維態到量子阱的2維態的隧道效應；

② RTD的直流I-V特性測量表明：呈現出共振隨穿所予示的共振峰和負微分電阻，並在負微分電阻區還呈現出振動、雙穩性和一個肩狀峰（可能是測量電路在負微分電阻區的動態本性）；

③ RTD的測量表明：在共振態時，RTD的C-V特性有一個電容峰；

④ RTD的交流測量表明：RTD中電子的渡越時間為60fs數量級，隨著頻率的增高，共振峰的強度將減小。

（5）RTD的重要應用（例）：

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組成三進位編碼器的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。