諧振隧穿二極體

簡介

諧振隧穿二極體(Resonant tunneling diode, RTD)是利用電子在某些能級能夠諧振隧穿而導通的二極體。其電流電壓特性常顯示出負阻特性。

所有的隧道二極體(Tunnel diode)都是利用量子隧穿效應工作的。它們大多具有負阻的電流電壓特性,用於高速電子器件，因為隧穿薄層的時間很短，比如振盪器。最高工作頻率可達THz.

諧振隧穿二極體可以使用多種材料製造（比如III-V族，IV族或II-IV族半導體）和多種不同諧振隧穿結構（比如重摻雜PN結,雙勢壘，三勢壘，勢阱）。

其中一種由兩層薄層中間的單個勢阱構成，稱為雙勢壘結構。載流子在勢阱中間只能有分立的電子能級。當諧振隧穿二極體兩邊加偏壓的時候，隨著第一能級接近費米能級，電流逐漸增加。當第一能級低於並遠離費米能級的時候，電流開始下降，出現負阻特性。當第二能級下降接近費米能級的時候，電流再次增加。該結果如下圖所示，該圖使用NanoHUB得到。

該結構可以使用分子束外延生長，常見材料組合有GaAs/AlAs和InAlAs/InGaAs。

工作原理

取決於材料和有多少個勢壘，束縛能級的數量可能有一個或多個，當束縛能級較多時，下述過程可能會重複。

正電阻區

在低偏壓時，當第一束縛能級（能量最低的那一個）靠近費米能級時，通過該束縛能級的電流增加，從而總電流增加。

負電阻區

隨著偏壓進一步增加，第一束縛能級已經低於費米能級。偏壓繼續增加時該能級對應的能量已接近發射極（源極）的禁帶，因此該能級傳導的電流減小，總電流減小。

第二正電阻區

隨著偏壓進一步增加，第二束縛能級也靠近費米能級，其傳導的電流也開始增加，導致總電流再次增加。

RTD的重要套用

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。