負微分電阻效應

負微分電阻效應，NDR effect（negative differential resistance effect）：在負阻區，半導體中載流子濃度局部的微小漲落即可引起非平衡多數載流子的大量積累而產生空間電荷，這種現象就是負微分電阻效應。多數載流子完全積累（或完全消失）的平均時間稱為介電弛豫時間，可表示為t=ε /σ=ε/qnμ；完全積累的多數載流子所存在的有效範圍也就是所謂Debye屏蔽長度，可表示為L=kTε/q2n)1/2。當然，如果半導體樣品非常均勻，沒有任何載流子濃度的局部漲落，即使處在負電阻狀態下，則也不會積累起空間電荷。負微分電阻效應是體效應器件（Gunn二極體）工作的物理基礎。在n型的Si和Ge這些半導體中主要是一個導帶底對導電起作用，不會出現負電阻，則不存在NDR效應。

晶體二極體在正嚮導通時，電流隨電壓指數的增加，呈現明顯的非線性特性。在某一正向電壓下，電壓增加微小量△V，正向電流相應增加△I，則△V/△I稱微分電阻

原子尺度的負微分電阻──原子尺度的器件不久將問世。

科學家們總是不斷地努力減小微電子器件的尺寸，並了解尺寸限制帶來的效應。在小尺寸下，大多數傳統的器件結構將遇到基本的及工藝上的限制。因為，此時，特徵的量子效應變得很突出。由此，能夠研製成新型的量子效應器件，例如，量子阱、量子線和量子點等。基於量子效應，特別是隧穿效應，另一類器件是Esaki(江崎)二極體。這二類器件的電流-電壓(I-V)特性曲線都顯示出負微分電阻區，這是製作快速開關管、振蕩器以及鎖頻電路所必需的基本特性. 最近，美國的IBM公司研究部的科學家報道了在原子尺度(～1nm)的結構中，觀測到負微分電阻行為。在由掃描隧道電子顯徽鏡(STM)的端部與 Si(III)的表面上的特殊位置上外露的B原子組成的隧道二極體組態中，觀測到負微分電阻(NDR)。

介紹: 一種控制負微分電阻(NDR)元件的方法，它包括在執行不同的NDR模式運作期間改變各種NDR特性。通過改變加在NDR元件(諸如硅基的NDRFET)的偏壓條件，可動態修改元件的峰谷比(PVR)(或某個別的特性)以容納使用NDR元件的電路中所需要的運作變化。在某個存儲或邏輯應用中，例如，能在靜態周期削減谷值電流以降低運作功率。因此，適用的NDR能夠在傳統的半導體電路中被有益地利用。一個適用的硅基負微分電阻(NDR)器件在集成電路的運作方法，包括步驟：在第一個時間周期里，採用第一個電流—電壓關係運作硅基NDR器件；及在第二個時間周期里，採用第二個電流—電壓關係運作硅基NDR器件；而且在此所述的第一個電流—電壓關係和所述的第二個電流—電壓關係的NDR特性有充分的差異，以使所述適用的硅基NDR器件具有兩個截然不同的運作模式，分別包括第一個運作的模式和第二個運作的模式；在響應集成電路上控制電路所產生的控制信號時，所述適用的硅基NDR器件在所述第一個運作模式和所述第二個運作模式之間轉換。

負微分電阻（NDR）器件在高速開關、存儲等器件中都有著十分重要的應用。通常負微分電阻效應產生的機制是由於兩個電極分別具有在能量上較為局域乃至分立的態密度，當一個電極上的局域電子態與另一電極的局域電子態能級匹配時，就會產生強的共振隧穿電流，反之，當兩個電極上的局域電子態能級不匹配時，電流急劇減小，從而產生負微分電阻效應。對於分子體系，要構建NDR器件，需要利用分子的局域分立能級即其分子軌道，然而這些軌道除了具有特定的能量，還具有特定的空間分佈和空間對稱性。我們在實驗中採用了CoPc分子作為電極之一，Ni針尖則作為另一電極，在掃描隧道譜中觀測到了顯著而穩定的負微分電阻現象（圖4(a)）.通過分析CoPc分子和Ni針尖的電子結構，我們發現CoPc分子和Ni針尖組成的體系中產生的NDR 。

現象不同於傳統的共振隧穿電流機制. 實驗和理論計算結果表明，該體系中產生的NDR現象是由CoPc和Ni針尖的相關軌道的空間對稱性匹配關係引起的.CoPc分子佔據軌道和Ni針尖費米能級附近的未佔據態中都存在較強成分的dxz(yz)軌道，在合適偏壓下，CoPc分子佔據軌道和Ni針尖未佔據態的dxz(yz)軌道發生波函數空間對稱性的匹配，產生電流極大值（圖4(c)），反之則電流減小，從而產生負微分電阻效應。這種由軌道空間分佈匹配支配的機制有別於傳統的負微分電阻效應機制，與納米結構或者分子的前線軌道中各個分子軌道的波函數空間對稱性密切相關，將單分子負微分電阻器件擴展到了分子軌道層次.。