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準束縛態能級,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,電子波函式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,因為量子隧穿的回響時間< 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。
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。
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。
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套用。直到1980年代才在微電子-納米電子器件中得到了較好的套用。
RTD的重要套用有如:①構成電子“選模器”;②構成諧振隧穿電晶體(RTT)和單電子電晶體(SET);③與其他器件組成具有特殊性能的器件(如與HEMT組成三進制編碼器的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。