Resonans-tunneldiod

En resonanstunneldiod ( RTD ) är en diod med en resonanstunnelstruktur där elektroner kan tunnla genom vissa resonanstillstånd vid vissa energinivåer. Ström -spänningskarakteristiken uppvisar ofta negativa differentialresistansregioner .

Alla typer av tunnlingsdioder använder sig av kvantmekanisk tunnling . Karakteristiskt för ström-spänningsförhållandet för en tunneldiod är närvaron av en eller flera negativa differentialresistansregioner, vilket möjliggör många unika tillämpningar. Tunneleringsdioder kan vara mycket kompakta och kan också arbeta med ultrahög hastighet eftersom kvanttunneleffekten genom de mycket tunna skikten är en mycket snabb process. Ett område av aktiv forskning är inriktat på att bygga oscillatorer och omkopplingsanordningar som kan arbeta vid terahertz- frekvenser.

Introduktion

En arbetsmekanism för en resonanstunnlande diodanordning och negativt differentiellt motstånd i utgångskarakteristik. Det finns en negativ resistanskarakteristik efter den första strömtoppen, på grund av en minskning av den första energinivån under källans Fermi-nivå med grindförspänning. (Vänster: banddiagram ; Center: överföringskoefficient ; Höger: ström–spänningsegenskaper). Det negativa motståndsbeteendet som visas i den högra figuren orsakas av den relativa positionen för begränsat tillstånd till källans Fermi-nivå och bandgap .

En RTD kan tillverkas med många olika typer av material (såsom III–V, typ IV, II–VI halvledare) och olika typer av resonanstunnelstrukturer, såsom den kraftigt dopade p–n-övergången i Esaki-dioder, dubbelbarriär , trippelbarriär, kvantbrunn eller kvanttråd . Strukturen och tillverkningsprocessen för Si/SiGe resonant interband tunneldioder är lämpliga för integration med modern Si-komplementär metall-oxid-halvledare ( CMOS ) och Si / SiGe heterojunction bipolär teknologi.

En typ av RTD är utformad som en enda kvantbrunnsstruktur omgiven av mycket tunna skiktbarriärer. Denna struktur kallas en dubbelbarriärstruktur. Bärare som elektroner och hål kan bara ha diskreta energivärden inuti kvantbrunnen. När en spänning läggs över en RTD emitteras en terahertzvåg , vilket är anledningen till att energivärdet inuti kvantbrunnen är lika med det på emittersidan. När spänningen ökas dör terahertzvågen ut eftersom energivärdet i kvantbrunnen ligger utanför emittersidans energi.

En annan funktion som ses i RTD-strukturer är det negativa motståndet vid applicering av bias som kan ses i bilden som genereras från Nanohub . Bildandet av negativt motstånd kommer att undersökas i detalj i operationsavsnittet nedan.

Denna struktur kan odlas genom molekylär strålheteroepitaxi . GaAs och AlAs i synnerhet används för att bilda denna struktur. AlAs/ InGaAs eller InAlAs /InGaAs kan användas.

Funktionen av elektroniska kretsar som innehåller RTD kan beskrivas av ett Liénard-ekvationssystem , som är en generalisering av Van der Pols oscillatorekvation .

Drift

Följande process illustreras också från bilden till höger. Beroende på antalet barriärer och antalet inneslutna tillstånd inuti brunnen kan processen som beskrivs nedan upprepas.

Region med positivt motstånd

För låg förspänning, när förspänningen ökar, kommer det första begränsade tillståndet mellan de potentiella barriärerna närmare källans Fermi-nivå , så strömmen den bär ökar.

Negativt motståndsområde

När förspänningen ökar ytterligare, blir det 1:a begränsade tillståndet lägre i energi och går gradvis in i energiområdet för bandgap, så strömmen det bär minskar. Vid denna tidpunkt är det andra begränsade tillståndet fortfarande för högt över energi för att leda betydande ström.

2:a positiva resistensregionen

I likhet med den första regionen, när det andra begränsade tillståndet blir närmare och närmare källans Fermi-nivå, bär det mer ström, vilket gör att den totala strömmen ökar igen.

Intraband resonant tunnling

En dubbelbarriärpotentialprofil med en partikel som faller in från vänster med energi mindre än barriärhöjden.

Vid kvanttunnling genom en enda barriär är transmissionskoefficienten, eller sannolikheten för tunnling, alltid mindre än en (för inkommande partikelenergi mindre än den potentiella barriärhöjden). Med tanke på en potentiell profil som innehåller två barriärer (som är placerade nära varandra) kan man beräkna transmissionskoefficienten (som funktion av den inkommande partikelenergin) med någon av standardmetoderna.

Tunnling genom en dubbelbarriär löstes först i Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB) approximation av David Bohm 1951, som påpekade att resonanserna i transmissionskoefficienten inträffar vid vissa infallande elektronenergier. Det visar sig att för vissa energier är transmissionskoefficienten lika med ett, dvs den dubbla barriären är helt transparent för partikelöverföring. Detta fenomen kallas resonant tunneling. Det är intressant att medan transmissionskoefficienten för en potentiell barriär alltid är lägre än en (och minskar med ökande barriärhöjd och bredd), kan två barriärer i rad vara helt transparenta för vissa energier hos den infallande partikeln.

Senare, 1964, diskuterade LV Iogansen möjligheten av resonansöverföring av en elektron genom dubbla barriärer bildade i halvledarkristaller. I början av 1970-talet Tsu , Esaki och Chang de två terminala ström-spänningsegenskaperna (IV) för ett finit supergitter och förutspådde att resonanser kunde observeras inte bara i transmissionskoefficienten utan också i IV-karakteristiken. Resonant tunnling förekommer även i potentiella profiler med fler än två barriärer. Framsteg inom MBE-tekniken ledde till observation av negativ differentialkonduktans (NDC) vid terahertz-frekvenser, som rapporterats av Sollner et al. i början av 1980-talet. Detta utlöste en betydande forskningsansträngning för att studera tunnling genom flerbarriärstrukturer.

Potentialprofilerna som krävs för resonanstunnling kan realiseras i halvledarsystem med användning av heteroövergångar som använder halvledare av olika typer för att skapa potentiella barriärer eller brunnar i ledningsbandet eller valensbandet.

III-V resonans tunneldioder

Resonant tunneldioder realiseras typiskt i III-V sammansatta materialsystem , där heteroövergångar som består av olika III-V sammansatta halvledare används för att skapa de dubbla eller multipla potentialbarriärerna i ledningsbandet eller valensbandet. Relativt högpresterande III-V resonans tunneldioder har realiserats. Sådana enheter har inte kommit in i vanliga tillämpningar ännu eftersom bearbetningen av III-V-material är inkompatibel med Si CMOS-teknik och kostnaden är hög.

Det mesta av halvledaroptoelektronik använder III-V-halvledare och det är därför möjligt att kombinera III-V RTD:er för att göra OptoElectronic Integrated Circuits (OEICS) som använder RTD:ns negativa differentialresistans för att ge elektrisk förstärkning för optoelektroniska enheter. Nyligen har variabiliteten från enhet till enhet i en RTD:s ström-spännings-karaktäristik använts som ett sätt att unikt identifiera elektroniska enheter, i vad som är känt som en fysisk icke-klonbar funktion för kvantinneslutning (QC-PUF ) . Spikingbeteende i RTD:er är under utredning för optisk neuromorf beräkning .

Si/SiGe resonans tunneldioder

Resonant tunneldioder kan också realiseras med hjälp av Si/SiGe materialsystem. Både håltunnling och elektrontunnling har observerats. Emellertid var prestandan hos Si/SiGe resonans tunneldioder begränsad på grund av det begränsade ledningsbandet och valensbandsdiskontinuiteterna mellan Si- och SiGe-legeringar. Resonant tunnling av hål genom Si/SiGe heterojunctions försökte först på grund av den typiskt relativt större valensbandsdiskontinuiteten i Si/SiGe heterojunctions än ledningsbandsdiskontinuiteten för (kompressionsmässigt) ansträngda Si 1−x Ge x- _lager odlade _på Si-substrat. Negativ differentialresistans observerades endast vid låga temperaturer men inte vid rumstemperatur. Resonant tunnling av elektroner genom Si/SiGe-heteroövergångar erhölls senare, med ett begränsat topp-till-dalströmförhållande (PVCR) på 1,2 vid rumstemperatur. Efterföljande utvecklingar har realiserat Si/SiGe RTDs (elektrontunneling) med en PVCR på 2,9 med en PCD på 4,3 kA/cm ² och en PVCR på 2,43 med en PCD på 282 kA/cm ² vid rumstemperatur.

Interband resonans tunneldioder

Resonant interband tunneling diodes (RITDs) kombinerar strukturerna och beteendet hos både intraband resonant tunneling diodes (RTDs) och konventionella interband tunneling dioder, där elektroniska övergångar sker mellan energinivåerna i kvantbrunnarna i ledningsbandet och den i valensbandet . Liksom resonanstunneldioder, kan resonansinterbandstunneldioder realiseras i både III-V och Si/SiGe materialsystem.

III-V RITDs

I III-V materialsystemet har InAlAs/InGaAs RITD med topp-till-dalströmsförhållanden (PVCR) högre än 70 och så hög som 144 vid rumstemperatur och Sb-baserade RITD med rumstemperatur PVCR så hög som 20 erhållits . Den största nackdelen med III-V RITDs är användningen av III-V-material vars bearbetning är oförenlig med Si-bearbetning och är dyr.

Si/SiGe RITDs

Typisk struktur för en Si/SiGe resonant interband tunneldiod

Banddiagram för en typisk Si/SiGe resonant interband tunneldiod beräknad av Gregory Sniders 1D Poisson/Schrödinger Solver.

I Si / SiGe materialsystem har Si/SiGe resonant interband tunneldioder också utvecklats som har potential att integreras i den vanliga Si-integrerade kretsteknologin.

Strukturera

De fem nyckelpunkterna i konstruktionen är: (i) en inneboende tunnelbarriär , (ii) delta-dopade injektorer, (iii) förskjutning av delta-dopningsplanen från heteroövergångsgränssnitten, ( iv) epitaxiell tillväxt av molekylär strål vid låg temperatur ( LTMBE), och (v) postgrowth rapid termal annealing (RTA) för aktivering av dopämnen och minskning av densiteten av punktdefekter.

Prestanda

En minsta PVCR på cirka 3 behövs för typiska kretsapplikationer. Si/SiGe RITDs med låg strömtäthet är lämpliga för minnestillämpningar med låg effekt, och tunneldioder med hög strömtäthet behövs för höghastighets digitala/blandade signaltillämpningar. Si/SiGe RITDs har konstruerats för att ha rumstemperatur PVCR upp till 4,0. Samma struktur duplicerades av en annan forskargrupp med ett annat MBE- system, och PVCR på upp till 6,0 har erhållits. När det gäller toppströmtäthet har toppströmtätheter som sträcker sig från så låga som 20 mA/cm2 ^och så höga som 218 kA/cm2, ^som spänner över sju storleksordningar, uppnåtts. En resistiv gränsfrekvens på 20,2 GHz har realiserats på fotolitografidefinierad SiGe RITD följt av våtetsning för att ytterligare reducera diodstorleken, vilket borde kunna förbättras när även mindre RITD:er tillverkas med tekniker som elektronstrålelitografi.

Integration med Si/SiGe CMOS och heterojunction bipolära transistorer

Integration av Si/SiGe RITDs med Si CMOS har visats. Vertikal integration av Si/SiGe RITD och SiGe heterojunction bipolära transistorer demonstrerades också, vilket realiserade ett 3-terminalt negativt differentiellt motståndskretselement med justerbart topp-till-dalströmförhållande. Dessa resultat indikerar att Si/SiGe RITDs är en lovande kandidat för att integreras med Si integrerade kretsteknologi.

Andra applikationer

Andra tillämpningar av SiGe RITD har demonstrerats med hjälp av breadboard-kretsar, inklusive flertillståndslogik.

externa länkar

• För information om optoelektroniska tillämpningar av RTD:er se http://userweb.elec.gla.ac.uk/i/ironside/RTD/RTDOpto.html .
• Resonant Tunneling Diode Simulation Tool på Nanohub möjliggör simulering av resonant tunnling dioder under realistiska förspänningsförhållanden för realistiskt utökade enheter.