Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Резонансно-туннельный диод ( RTD ) представляет собой диод с конструкцией резонансного туннелирования , в котором электроны могут туннель через несколько резонансных состояний на определенных энергетических уровнях. На ВАХ часто наблюдаются области отрицательного дифференциального сопротивления .

Все типы туннельных диодов используют квантово-механическое туннелирование . Для соотношения тока и напряжения туннельного диода характерно наличие одной или нескольких областей отрицательного дифференциального сопротивления, что позволяет использовать множество уникальных приложений. Туннельные диоды могут быть очень компактными, а также способны работать на сверхвысокой скорости, поскольку квантовый туннельный эффект через очень тонкие слои - очень быстрый процесс. Одно из направлений активных исследований направлено на создание генераторов и переключающих устройств, которые могут работать на терагерцовых частотах. [1]

Введение [ править ]

Рабочий механизм резонансно-туннельного диодного устройства и отрицательное дифференциальное сопротивление в выходной характеристике. Имеется характеристика отрицательного сопротивления после первого пика тока из-за уменьшения первого уровня энергии ниже уровня Ферми источника при смещении затвора. (Слева: полосовая диаграмма ; Центр: коэффициент передачи ; Справа: вольт-амперные характеристики). Поведение отрицательного сопротивления, показанное на правом рисунке, вызвано относительным положением ограниченного состояния относительно уровня Ферми и ширины запрещенной зоны источника .

RTD может быть изготовлен с использованием многих различных типов материалов (таких как полупроводники III – V, IV типа, II – VI) и различных типов резонансных туннельных структур, таких как сильно легированный p – n переход в диодах Эсаки , двойной барьер, тройной барьер, квантовая яма или квантовая проволока . Структура и процесс изготовления Si / SiGe резонансных межзонных туннельных диодов подходят для интеграции с современной Si-комплементарной технологией металл-оксид-полупроводник ( CMOS ) и биполярной технологией Si / SiGe на гетеропереходе.

Один тип RTD представляет собой структуру с одной квантовой ямой, окруженную очень тонкими слоями барьеров. Эта структура называется структурой с двойным барьером. Носители, такие как электроны и дырки, могут иметь только дискретные значения энергии внутри квантовой ямы. Когда напряжение подается на RTD, излучается волна терагерцового диапазона , поэтому значение энергии внутри квантовой ямы равно значению энергии на стороне эмиттера. По мере увеличения напряжения терагерцовая волна затухает, потому что значение энергии в квантовой яме находится за пределами энергии на стороне эмиттера.

Еще одна особенность, наблюдаемая в структурах RTD, - это отрицательное сопротивление при приложении смещения, что можно увидеть на изображении, созданном с Nanohub . Формирование отрицательного сопротивления будет подробно рассмотрено ниже в разделе «Эксплуатация».

Эта структура может быть выращена методом молекулярно-лучевой гетероэпитаксии . В частности, GaAs и AlAs используются для формирования этой структуры. Могут использоваться AlAs / InGaAs или InAlAs / InGaAs.

Работа электронных схем, содержащих RTD, может быть описана системой уравнений Льенара , которые являются обобщением уравнения осциллятора Ван-дер-Поля . [2] [3] [4]

Операция [ править ]

Следующий процесс также проиллюстрирован на рисунке справа. В зависимости от количества барьеров и количества замкнутых состояний внутри скважины процесс, описанный ниже, может быть повторен.

Область положительного сопротивления [ править ]

При низком смещении по мере увеличения смещения первое ограниченное состояние между потенциальными барьерами приближается к исходному уровню Ферми , поэтому ток, который он переносит, увеличивается.

Область отрицательного сопротивления [ править ]

По мере дальнейшего увеличения смещения первое ограниченное состояние становится более низким по энергии и постепенно переходит в энергетический диапазон запрещенной зоны, поэтому переносимый им ток уменьшается. В это время второе ограниченное состояние все еще слишком высоко по энергии, чтобы проводить значительный ток.

2-я зона положительного сопротивления [ править ]

Подобно первой области, когда 2-е ограниченное состояние становится все ближе и ближе к исходному уровню Ферми, оно переносит больше тока, заставляя общий ток снова увеличиваться.

Внутриполосное резонансное туннелирование [ править ]

Двухбарьерный профиль потенциала с падающей слева частицей с энергией меньше высоты барьера.

При квантовом туннелировании через единственный барьер коэффициент пропускания или вероятность туннелирования всегда меньше единицы (для энергии падающих частиц меньше высоты потенциального барьера). Рассматривая потенциальный профиль, который содержит два барьера (которые расположены близко друг к другу), можно рассчитать коэффициент передачи (как функцию энергии падающей частицы), используя любой из стандартных методов.

Туннелирование через двойной барьер было впервые решено в приближении Венцеля-Крамерса-Бриллюэна (ВКБ) Дэвидом Бомом в 1951 году, который указал, что резонансы в коэффициенте пропускания возникают при определенных энергиях налетающих электронов. Оказывается, для определенных энергий коэффициент пропускания равен единице, т. Е. Двойной барьер полностью прозрачен для пропускания частиц. Это явление называется резонансным туннелированием. [5] Интересно, что хотя коэффициент пропускания потенциального барьера всегда меньше единицы (и уменьшается с увеличением высоты и ширины барьера), два барьера подряд могут быть полностью прозрачными для определенных энергий падающей частицы.

Позднее, в 1964 г., Л. В. Иогансен обсуждал возможность резонансного прохождения электрона через двойные барьеры, образованные в кристаллах полупроводников. [6] В начале 1970-х Цу, Эсаки и Чанг вычислили двухполюсную вольтамперную характеристику (ВАХ) конечной сверхрешетки и предсказали, что резонансы могут наблюдаться не только в коэффициенте пропускания, но также и в ВАХ. [7] Резонансное туннелирование также происходит в профилях потенциала с более чем двумя барьерами. Достижения в методике MBE привели к наблюдению отрицательной дифференциальной проводимости (NDC) на терагерцовых частотах, как сообщили Sollner et al. в начале 1980-х гг. [8] Это вызвало значительные усилия по исследованию туннелирования через многобарьерные структуры.

Профили потенциала, необходимые для резонансного туннелирования, могут быть реализованы в полупроводниковой системе с использованием гетеропереходов, в которых используются полупроводники разных типов для создания потенциальных барьеров или ям в зоне проводимости или валентной зоне.

Резонансные туннельные диоды III-V [ править ]

Резонансные туннельные диоды обычно реализуются в системах из составных материалов III-V , где гетеропереходы, состоящие из различных полупроводниковых соединений III-V, используются для создания двойных или множественных потенциальных барьеров в зоне проводимости или валентной зоне. Реализованы резонансно-туннельные диоды III-V с достаточно высокими характеристиками. Такие устройства еще не нашли широкого применения, поскольку обработка материалов III-V несовместима с технологией Si CMOS, а стоимость высока.

В большинстве полупроводниковой оптоэлектроники используются полупроводники III-V, поэтому можно комбинировать RTD III-V для создания оптоэлектронных интегральных схем (OEICS), которые используют отрицательное дифференциальное сопротивление RTD для обеспечения электрического усиления для оптоэлектронных устройств. [9] [10] В последнее время изменчивость вольт-амперной характеристики RTD от устройства к устройству использовалась как способ однозначной идентификации электронных устройств в так называемой физической неклонируемой функции квантового ограничения (QC-PUF). [11]

Si / SiGe резонансные туннельные диоды [ править ]

Резонансные туннельные диоды также могут быть реализованы с использованием системы материалов Si / SiGe. Обнаружено туннелирование дырок и электронов. Однако характеристики резонансных туннельных диодов Si / SiGe были ограничены из-за ограниченной зоны проводимости и разрывов валентной зоны между Si и сплавами SiGe. Сначала была предпринята попытка резонансного туннелирования дырок через гетеропереходы Si / SiGe из-за обычно относительно большего разрыва валентной зоны в гетеропереходах Si / SiGe, чем из-за разрыва зоны проводимости для (сжато) напряженных слоев Si 1 − x Ge x, выращенных на подложках Si. Отрицательное дифференциальное сопротивление наблюдалось только при низких температурах, но не при комнатной температуре. [12]Резонансное туннелирование электронов через гетеропереходы Si / SiGe было получено позже с ограниченным отношением пикового и минимального тока (PVCR) 1,2 при комнатной температуре. [13] В ходе последующих разработок были реализованы Si / SiGe RTD (электронное туннелирование) с PVCR 2,9 с PCD 4,3 кА / см 2 [14] и PVCR 2,43 с PCD 282 кА / см 2 при комнатной температуре. [15]

Межзонные резонансные туннельные диоды [ править ]

Резонансные межзонные туннельные диоды (RITD) сочетают в себе структуру и поведение как внутризонных резонансных туннельных диодов (RTD), так и обычных межзонных туннельных диодов, в которых электронные переходы происходят между уровнями энергии в квантовых ямах в зоне проводимости и в валентной зоне. . [16] [17] Подобно резонансным туннельным диодам, резонансные межзонные туннельные диоды могут быть реализованы как в системах материалов III-V, так и в системах Si / SiGe.

III-V RITD [ править ]

В системе материалов III-V были получены RITD InAlAs / InGaAs с отношением максимального тока к минимальному току (PVCR) от более 70 до 144 при комнатной температуре и RITD на основе Sb с PVCR при комнатной температуре до 20. . [18] [19] [20] Основным недостатком RITD III-V является использование материалов III-V, обработка которых несовместима с обработкой Si и является дорогостоящей.

Si / SiGe RITD [ править ]

Типовая структура резонансного межзонного туннельного диода Si / SiGe
Зонная диаграмма типичного резонансного Si / SiGe-резонансного межзонного туннельного диода, рассчитанная методом 1D Пуассона / Шредингера Грегори Снайдера.

В Si / SiGe системы материалов, отношение Si / SiGe резонансный межзонный туннельные диоды были также разработаны которые имеют потенциал , чтобы быть интегрированы в основные Si , технологии интегральных схем. [21]

Структура [ править ]

Пятью ключевыми моментами конструкции являются: (i) собственный туннельный барьер, (ii) дельта-легированные инжекторы, (iii) смещение плоскостей дельта-легирования от границ раздела гетеропереходов , (iv) низкотемпературный эпитаксиальный рост молекулярного пучка ( LTMBE), и (v) постростовой быстрый термический отжиг (RTA) для активации легирующих примесей и уменьшения плотности точечных дефектов. [21]

Производительность [ править ]

Для типичных схемных приложений требуется минимум PVCR около 3. Si / SiGe RITD с низкой плотностью тока подходят для приложений памяти с низким энергопотреблением, а туннельные диоды с высокой плотностью тока необходимы для высокоскоростных приложений с цифровыми / смешанными сигналами. Si / SiGe RITD были разработаны, чтобы иметь PVCR при комнатной температуре до 4,0. [22] Та же самая структура была продублирована другой исследовательской группой с использованием другой системы MBE , и были получены значения PVCR до 6.0. [23] Что касается пиковой плотности тока, были достигнуты пиковые плотности тока в диапазоне от 20 мА / см 2 до 218 кА / см 2 , охватывающих семь порядков величины. [24]Резистивная частота отсечки 20,2 ГГц была реализована на определенном для фотолитографии SiGe RITD с последующим влажным травлением для дальнейшего уменьшения размера диода, которое должно быть улучшено при изготовлении еще меньших RITD с использованием таких технологий, как электронно-лучевая литография. [25]

Интеграция с Si / SiGe CMOS и биполярными транзисторами с гетеропереходом [ править ]

Продемонстрирована интеграция Si / SiGe RITD с Si CMOS. [26] Также была продемонстрирована вертикальная интеграция биполярных транзисторов Si / SiGe RITD и SiGe с гетеропереходом, в результате чего был реализован трехконтактный элемент цепи с отрицательным дифференциальным сопротивлением с регулируемым отношением максимального тока к минимальному. [27] Эти результаты показывают, что Si / SiGe RITD являются многообещающим кандидатом на интеграцию с технологией Si интегральных схем.

Другие приложения [ править ]

Другие применения SiGe RITD были продемонстрированы с использованием макетных схем, включая логику с несколькими состояниями. [28]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Saeedkia, D. (2013). Справочник по терагерцовым технологиям для визуализации, зондирования и связи . Эльзевир. п. 429. ISBN. 978-0857096494.
  2. ^ Незначительный, Томас Дж .; Ромейра, Бруно; Ван, Ликюань; Фигейредо, Хосе М.Л.; Васидж, Эдвард; Айронсайд, Чарльз Н. (2008). «Гибридная интегральная схема с резонансным туннельным диодом-лазером и генератором Льенара: модель и эксперимент» (PDF) . Журнал IEEE по квантовой электронике . 44 (12): 1158. Bibcode : 2008IJQE ... 44.1158S . DOI : 10,1109 / JQE.2008.2000924 . S2CID 28195545 .  
  3. ^ Romeira, B .; Незначительный, JML; Фигейредо, штат Техас; Wasige, L .; Wang, E .; Кинтана, CN; Айронсайд, JM; Аведильо, MJ (2008). «Синхронизация и хаос в лазерном диоде, управляемом резонансным туннельным диодом». ИЭПП Оптоэлектроника . 2 (6): 211. DOI : 10.1049 / iet-opt: 20080024 .
  4. ^ Romeira, B .; Фигейредо, JML; Незначительный, TJ; Wang, L .; Wasige, E .; Айронсайд, CN; Quintana, JM; Avedillo, MJ (4–9 мая 2008 г.). «Наблюдение за частотным разделением и хаосом в лазерном диоде, управляемом резонансным туннельным диодом». Конференция по лазерам, электрооптике, квантовой электронике и лазерной науке (CLEO / QELS 2008), Сан-Хосе, Калифорния : 1-2. DOI : 10,1109 / CLEO.2008.4551318 . ISBN 978-1-55752-859-9. S2CID  45107735 .
  5. ↑ Дэвид Бом, Квантовая теория, Прентис-Холл, Нью-Йорк, 1951.
  6. ^ Л. В. Иогансен, "Возможность резонансного прохождения электронов в кристаллах через систему барьеров", ЖЭТФ СССР, 1964, 18 , стр. 146.
  7. ^ Tsu, R .; Эсаки, Л. (1973). «Туннелирование в конечной сверхрешетке». Письма по прикладной физике . 22 (11): 562. Bibcode : 1973ApPhL..22..562T . DOI : 10,1063 / 1,1654509 .
  8. ^ Sollner, TCLG; Goodhue, WD; Танненвальд, ЧП; Паркер, КД; Пек, DD (1983). «Резонансное туннелирование через квантовые ямы на частотах до 2,5 ТГц». Письма по прикладной физике . 43 (6): 588. Bibcode : 1983ApPhL..43..588S . DOI : 10.1063 / 1.94434 .
  9. ^ Незначительный, TJ; Айронсайд, CN (2007). "Исследование интеграции резонансного туннельного диода и лазера оптической связи: модель и эксперимент" (PDF) . Журнал IEEE по квантовой электронике . 43 (7): 580. Bibcode : 2007IJQE ... 43..580S . DOI : 10,1109 / JQE.2007.898847 . S2CID 35679446 .  
  10. ^ Фигейредо, JML; Romeira, B .; Незначительный, TJ; Wang, L .; Wasige, E .; Айронсайд, CN (2008). «Автоколебания и сложение периода из схемы резонансный туннельный диод – лазерный диод» (PDF) . Письма об электронике . 44 (14): 876. DOI : 10,1049 / эль: 20080350 .
  11. ^ Робертс, Дж .; Багчи, IE; Завави, МАМ; Секстон, Дж .; Hulbert, N .; Нури, YJ; Янг, депутат; Вудхед, CS; Missous, M .; Migliorato, MA; Roedig, U .; Янг, RJ (2015-11-10). «Использование квантового ограничения для однозначной идентификации устройств» . Научные отчеты . 5 : 16456. arXiv : 1502.06523 . Bibcode : 2015NatSR ... 516456R . DOI : 10.1038 / srep16456 . PMC 4639737 . PMID 26553435 .  
  12. ^ Gennser, Ульф; Кесан, ВП; Айер, СС; Bucelot, TJ; Ян, ES (1990). «Резонансное туннелирование дырок через кремниевые барьеры». Журнал вакуумной науки и техники В . 8 (2): 210. Bibcode : 1990JVSTB ... 8..210G . DOI : 10.1116 / 1.584811 .
  13. ^ Исмаил, К .; Мейерсон, Б.С.; Ван, П.Дж. (1991). «Электронное резонансное туннелирование в диодах Si / SiGe с двойным барьером». Письма по прикладной физике . 59 (8): 973. Bibcode : 1991ApPhL..59..973I . DOI : 10.1063 / 1.106319 .
  14. ^ П. См; DJ Paul; Б. Холландер; С. Мантл; Зозуленко И.В., К.-Ф. Берггрен (2001). «Высокопроизводительные Si / Si 1-x Ge x резонансные туннельные диоды». Письма об электронных устройствах IEEE . 22 (4): 182. Bibcode : 2001IEDL ... 22..182S . DOI : 10.1109 / 55.915607 . S2CID 466339 . 
  15. Перейти ↑ P. See & DJ Paul (2001). «Масштабированная производительность Si / Si 1-x Ge x резонансных туннельных диодов». Письма об электронных устройствах IEEE . 22 (12): 582. Bibcode : 2001IEDL ... 22..582S . DOI : 10.1109 / 55.974584 . S2CID 10345069 . 
  16. ^ Суини, Марк; Сюй, Цзинмин (1989). «Резонансные межзонные туннельные диоды». Письма по прикладной физике . 54 (6): 546. Bibcode : 1989ApPhL..54..546S . DOI : 10.1063 / 1.100926 .
  17. ^ Квок К. Ng (2002). Полное руководство по полупроводниковым приборам (2-е изд.). Wiley-Interscience.
  18. ^ День, диджей; Chung, Y .; Webb, C .; Экштейн, JN; Сюй, JM; Суини, М. (1990). «Резонансные туннельные диоды с двойной квантовой ямой». Письма по прикладной физике . 57 (12): 1260. Bibcode : 1990ApPhL..57.1260D . DOI : 10.1063 / 1.103503 .
  19. ^ Цай, HH; Вс, юк; Lin, HH; Wang, RL; Ли, Т.Л. (1994). «PN двойной резонансный межзонный туннельный диод с квантовыми ямами с отношением пикового и минимального тока 144 при комнатной температуре». Письма об электронных устройствах IEEE . 15 (9): 357. Bibcode : 1994IEDL ... 15..357T . DOI : 10.1109 / 55.311133 . S2CID 34825166 . 
  20. ↑ Söderström, JR; Чоу, DH; Макгилл, TC (1989). «Новое устройство отрицательного дифференциального сопротивления на основе резонансного межзонного туннелирования» (PDF) . Письма по прикладной физике . 55 (11): 1094. Bibcode : 1989ApPhL..55.1094S . DOI : 10.1063 / 1.101715 .
  21. ^ a b Rommel, Sean L .; Диллон, Томас Э .; Дашиелл, МВт; Feng, H .; Kolodzey, J .; Бергер, Пол Р .; Thompson, Phillip E .; Хобарт, Карл Д .; Лейк, Роджер; Сибо, Алан С .; Климек, Герхард; Бланки, Дэниел К. (1998). «Работа при комнатной температуре эпитаксиально выращенных Si / Si [менее 0,5] Ge [менее 0,5] / Si резонансных межзонных туннельных диодов». Письма по прикладной физике . 73 (15): 2191. Bibcode : 1998ApPhL..73.2191R . DOI : 10.1063 / 1.122419 .
  22. ^ Парк, S.-Y .; Chung, S.-Y .; Бергер, PR; Ю., Р .; Томпсон, ЧП (2006). «Плазменное травление с низким повреждением боковых стенок с использованием ICP-RIE с химическим составом HBr Si ∕ SiGe резонансных межзонных туннельных диодов». Письма об электронике . 42 (12): 719. DOI : 10,1049 / эль: 20060323 .
  23. ^ Duschl, R; Эберл, К. (2000). «Физика и применение резонансных межзонных туннельных диодов Si / SiGe / Si». Тонкие твердые пленки . 380 (1–2): 151–153. Bibcode : 2000TSF ... 380..151D . DOI : 10.1016 / S0040-6090 (00) 01491-7 .
  24. ^ Jin, N .; Chung, S.-Y .; Ю., Р .; Хейнс, РМ; Бергер, PR; Томпсон, ЧП (2006). «Влияние толщины прокладки на характеристики резонансного межполосного туннельного диода на основе Si и их применение в схемах SRAM туннельных диодов малой мощности». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 53 (9): 2243. Bibcode : 2006ITED ... 53.2243J . DOI : 10.1109 / TED.2006.879678 . S2CID 13895250 . 
  25. ^ SY Chung; Р. Ю.; Н. Джин; SY Park; PR Бергер и П.Е. Томпсон (2006). «Si / SiGe резонансный межполосный туннельный диод с f r0 20,2 ГГц и пиковой плотностью тока 218 кА / см 2 для приложений смешанных сигналов в K-диапазоне». Письма об электронных устройствах IEEE . 27 (5): 364. Bibcode : 2006IEDL ... 27..364C . DOI : 10,1109 / LED.2006.873379 . S2CID 17627892 . 
  26. ^ S. Sudirgo, DJ Pawlik, SK Kurinec, PE Thompson, JW Daulton, SY Park, R. Yu, PR Berger и SL Rommel, NMOS / SiGe Resonant Interband Tunneling Diode Static Random Access Memory, Дайджест конференции 64-й конференции по исследованиям устройств, стр. 265, 26–28 июня 2006 г., Государственный университет Пенсильвании, Юниверсити-Парк, Пенсильвания.
  27. ^ Чунг, Сун-Юн; Джин, Ниу; Бергер, Пол Р .; Ю, Жунхуа; Thompson, Phillip E .; Лейк, Роджер; Rommel, Sean L .; Куринец, Сантош К. (2004). «Трехконтактный элемент схемы с отрицательным дифференциальным сопротивлением на основе кремния с регулируемыми отношениями пикового и минимального тока с использованием монолитной вертикальной интеграции» . Письма по прикладной физике . 84 (14): 2688. Bibcode : 2004ApPhL..84.2688C . DOI : 10.1063 / 1.1690109 .
  28. ^ Н. Джин; SY Chung; Р. М. Хейнс; и PR Бергер; Р. Ю.; ЧП Томпсон и С.Л. Роммель (2004). «Трехуровневая логика с использованием вертикально интегрированных Si-резонансных межполосных туннельных диодов с двойным NDR». Письма об электронных устройствах IEEE . 25 (9): 646. Bibcode : 2004IEDL ... 25..646J . DOI : 10,1109 / LED.2004.833845 . S2CID 30227 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Для получения информации об оптоэлектронных приложениях RTD см. Http://userweb.elec.gla.ac.uk/i/ironside/RTD/RTDOpto.html .
  • Инструмент моделирования резонансного туннельного диода на Nanohub позволяет моделировать резонансные туннельные диоды в реальных условиях смещения для реально протяженных устройств.