Резонансное туннелирование. Резонансно-туннельный диод.

Когда область, в которую или из которой может происходить туннельный переход электрона, является квантово-размерной (квантовая плоскость, квантовая линия, квантовая точка), то наблюдается еще один интересный эффект – "резонансное туннелирование". Чтобы объяснить его физическую сущность, рассмотрим снова двойной туннельный барьер (ДТБ), в котором промежуточный слой между двумя туннельными переходами является квантовой плоскостью. На рис. 3.8 слева показаны соответствующие энергетические диаграммы. Вдоль вертикали отложена энергия электронов, вдоль горизонтали – координата. Цифрами 1 и 5 на последней обозначены внешние области, к которым прикладывается напряжение: 1 – катод, 5 – анод; и – энергетические уровни Ферми в них. Цифрами 2 и 4 обозначены туннельные барьеры, цифрой 3 – квантово-размерная область.

Как мы уже отмечали выше, в такой области значения энергии электрона квантованы. Через и обозначены разрешенные в этой области энергетические уровни. В диапазоне энергий, который здесь рассматривается, в этих областях нет разрешенных энергетических уровней для электронов.

Обозначим разности между разрешенными в квантово-размерной области энергетическими уровнями и и энергетическим уровнем Ферми через

Напомним, что при туннельном переходе энергия электрона не изменяется. Примем во внимание также то, что электрическое напряжение , приложенное между анодом и катодом, падает в основном на туннельных барьерах 2 и 4 и распределяется между ними примерно поровну. Потенциальная энергия электронов в области анода 5 уменьшается на величину , вследствие чего все энергетические уровни смещаются вниз. В квантово-размерной области 3 потенциальная энергия электронов уменьшается на величину , и на такую же величину смещаются вниз разрешенные энергетические уровни и .

Верхняя энергетическая диаграмма ( рис. 3.8.а) соответствует случаю, когда . Для большинства электронов из области 1, которые находятся вблизи уровня Ферми , в области 3 не находится разрешенного энергетического уровня. И потому их туннельный переход сквозь барьер 2 не происходит. Пройти сквозь этот барьер из области 1 могут лишь электроны с энергией на выше уровня Ферми, а таких электронов мало. Туннельный ток незначителен.

Когда же напряжение между анодом 5 и катодом 1 возрастает до величины, при которой , тогда уже значительная часть электронов с энергиями близ уровня Ферми имеет возможность пройти сквозь туннельный барьер 2. И электрический ток сквозь структуру резко возрастает, достигая максимума при . Типичная вольтамперная характеристика структуры показана на рис. 3.8.г. Когда напряжение превышает указанную величину, то для большинства электронов из области 1 снова не находится разрешенного энергетического уровня в области 3, и они не могут пройти в эту область. Туннельный ток сквозь структуру уменьшается ( рис. 3.8.в). И лишь когда напряжение начинает приближаться к величине , у некоторых электронов из области 1 появляется возможность перейти на разрешенный энергетический уровень . И тогда туннельный ток сквозь структуру снова начинает расти.

(примечение: я ничего не понимаю)

Описанное явление резкого возрастания электрического тока сквозь туннельный переход, когда энергетические уровни электронов с обеих сторон от перехода уравниваются, называют "резонансным туннелированием" (англ. resonant tunneling).

Решение квантовомеханической задачи прохождения электронов с энергией сквозь два барьера высотой и , разделенных расстоянием , шириной и , показанную на рис. 1, позволяет найти коэффициент прохождения .

k2

k3

k1

a3

U2

U1

x

E

a1

w1

a2

a4

a5

L

w2

Соответствующие уровни энергии называются резонансными уровнями квантовой ямы, разделяющей барьеры.
Соотношение для уровней изолированной ямы, когда система резонансных уровней практически не зависит от толщины барьера:

Резонансно-туннельный диод.

В общем случае резонансно-туннельный диод представляет собой периодическую структуру, которая состоит из последовательно расположенных квантовых колодцев, разделенных потенциальными барьерами, с электрическими контактами к двум крайним противоположным областям. Чаще всего это двухбарьерные структуры с одним квантовым колодцем и симметричными характеристиками барьеров, поскольку по мере увеличения количества колодцев все труднее реализовать условия для согласованного резонансного переноса носителей заряда.

Рис. 5 - Условное обозначение резонансно-туннельного диода (а), его эквивалентная схема (б), вольт-амперная и вольт-фарадная характеристики (в).

Емкость является чрезвычайно важной при определении быстродействия прибора. За исключением области напряжения вблизи токового резонанса она приблизительно равна емкости, рассчитанной для нелегированного разделительного слоя и обедненного слоя прибора. Пик емкости в области отрицательного дифференциального сопротивления обусловлен резонансными электронами, накопленными в яме.

Основной особенностью резонансно-туннельных диодов является наличие на его вольт-амперной характеристике области отрицательного дифференциального сопротивления, которая является основой для большинства его практических применений. Наиболее важные электрические параметры: пиковое значение плотности тока (peak current density) и пиковое напряжение (peak voltage) – напряжение в области пика плотности тока, долинная плотность тока в минимуме (valley current density), отношение этих плотностей тока (peak-to-valley ratio).