共振隧穿器件及共振隧穿晶体管

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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（RTD）一样都是利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成多种逻辑功能等特点，因而在未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1.1共振隧穿效应共振隧穿器件是以共振隧穿效应为物理依据，共振隧穿效应是量子隧穿效应的一种特殊情况。如图1所示，若Ⅰ区、Ⅲ区和Ⅴ区均是金属、半导体或超导体，而Ⅱ区与Ⅳ区是极薄的绝缘层（厚度约为0

2、.1nm）。图1势垒形状设电子开始处在左边的金属中，可认为电子是自由的，在金属中的势能为零。由于电子不易通过绝缘层，因此绝缘层就像一个壁垒，我们将它称为势垒。一个高度为U0、宽为a的势垒，势垒右边有一个电子，电子能量为E。因电子的能量小于区域Ⅱ中的势能值U0，若电子进入Ⅱ区，就必然出现“负动能”，这是不可能发生的。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Ⅱ区甚至Ⅲ区等区域出现的概率不为零。像这种电子穿透比它动能更高的势垒的现象，称为隧穿

3、效应。它是粒子波动性的表现。图2共振隧穿效应类比图而共振隧穿可以简单理解为，在某一个能量值时电子的隧穿机率出现尖锐峰值。这种现象类似于光通过两个平行界面构成像Fabry-Perot标准具这样的光学滤波器一样，光强作为波长的函数，形成尖锐的跃迁峰值，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结构分类工作原理特点RTDRTD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

4、振隧穿，E、C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RTTGRTT通过栅极的shottky结或势阱区的pn结来控制RTD的电流三端，特性可调，速度比RTD低RTMESFET以RTD的双势垒结构为源区的MESFET器件，其IDVDS特性上也存在负阻特性三端，具有电流增益，又分为纵横两种结构RTBT以RTD的双势垒结构作为发射区的双极管或HBT三端，具有电流增益RHET以RTD的双势垒结构作为发射极的热电子晶体管三端，具有电流增益ORTDORTD以光信号改变RTD的负

5、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：一个是用于模拟电路，做成微波和毫米波振荡器等；另一个是用于高速数字电路，与MESFET，HBT，HEMT等进行集成构成高速数字电路；还可以用ORTD或与常规光电探测器件构成高速光电集成电路。1.3共振隧穿器件的特点（1）高频高速在半导体器件各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，利用此种机制制造的共振隧穿器件具有更高的频率和开关速度。如RTD的理论预计值为2.5THz,实际R

6、TD为712GHz,RTD的开关时间tr低到1.5ps。故RTD已成为目前速度最快的器件之一。（2）制备工艺相对简单共振隧穿器件结构上的最大特点是只有在某一维的尺寸为纳米量级,而其他两维尺寸为微米量级,这个特点体现在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(MOCVD)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IC工艺来完成。因此，一般共振隧穿器件可以通过常规IC工艺来制备。其他纳米电子器件(如单电子晶体管SET,量子点器件QD和量子分子器件

7、等)三维尺寸皆纳米量级，不能用常规IC工艺来制备。（3）I-V曲线呈现负阻特性构成RTD或RTT的核心结构是双势垒单势阱系统（DBS）。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InGaAs）构成的势阱构成，一般情况下势垒和势阱的宽度都为几个纳米的量级。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（双势垒结构）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

8、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EF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EC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增加，隧穿电流也逐渐增大，直到E0与发射区的EC对准时电流达到最大。而后E0对准EC以下的禁带时，共振隧穿过程停止，电流突然下降，产生负阻特性，如图3（c）所示。（a）无偏压时的能带图（b）加偏压