PDF《半导体量子器件物理讲座》

讲座半导体量子器件物理讲座 第四讲 共振隧穿器件及其电路应用3 李国华中国科学院半导体研究所 半导体超晶格国家重点实验室 北京 摘要当一个电子的能量低于势垒高度时 它仍可以隧穿通过势垒 在一定条件下 双势垒结构中电子的隧穿几 率甚至可以接近 利用这种共振隧穿现象可以做成共振隧穿二极管 它的电流 电压特性曲线中会出现负微分电 阻 利用这种负阻效应可以做成高频振荡器和倍频器等电子器件 双势垒结构与通常的双极晶体管结合可以做成共 振隧穿双极晶体管 它们可以用来做成多态记忆器和模数转换器等器件 关键词 共振隧穿 共振隧穿二极管 共振隧穿双极晶体管 ΡΕΣΟΝΑΝΤ ΤΥΝΝΕΛΙΝΓ ΔΕ?ΙΧΕΣ ΑΝΔ ΤΗΕΙΡ ΧΙΡ ΧΥΙΤ ΑΠΠΛΙΧΑΤΙΟΝΣ ∏2 ∏ Να τ ιονα λ Λαβορ α τορ ψφορ Συπερ λ α τ τ ιχεσ ανδ Μ ιχρ οσ τ ρ υχ τυρ εσ Ινσ τ ιτυτε οφ Σεμιχονδυχ τορ σ Χ η ινεσ ε Α χαδεμψ οφ Σχ ιενχεσ Βει ? ινγ Χ η ινα Αβσ τραχτ ∞ ∏ ∏ ∏ ∏ √ Ι2? ∏ ∏

2 2 √ Κεψ ωορδσ ∏ ∏ ∏

3 收到 引言 半导体电子器件如二极管 !三极管等的发明和 应用已经有几十年的历史 在这些器件中 电子的运 动基本上可以用经典物理的概念来描述 但是 随着 近年来半导体材料的生长和制备技术的不断发展 出现了一些新型的电子器件 在这些器件中 电子的 波动特性已经不可忽略 电子的运动也必须在量子 力学的框架内处理 我们称这类器件为半导体量子 电子器件 本讲介绍一种重要的量子电子器件 共振 隧穿器件 众所周知 在经典力学的观点中 一个能量低于 势垒的粒子是不能穿过这个势垒的 在势垒后方发 现此粒子的几率为零 而在量子力学的观点中 在势 垒后方仍有一定几率发现粒子 也就是说 即使粒子 的能量低于垫垒高度 它仍有一定的几率穿过这个 势垒 这种现象就称为量子隧穿现象 它是共振隧穿 器件的主要工作基础 最早的应用量子隧穿效应的半导体器件是齐纳 二极管≈ 它是由重掺杂的 ° 结组成的 由 于重掺杂 区和 ° 区的费米能级已分别进入导带 和价带 在°结两端加上正向偏压时 区的一部 分电子与 ° 区的一部分空穴将具有相同的能量 如 果结区很薄 电子可以从 区的导带通过量子隧穿 直接到达 ° 区的价带 从而形成隧穿电流 下面可以 看到 这种利用量子隧穿效应的二极管的电流 电 压特性与一般二极管有很大的不同 近年来 随着分子束外延 ∞ 及金属氧化物 气相淀积 ≤? ? 等生长方法的出现≈ 薄层异质 结构的生长成为现实 例如 人们已经可以在 衬底上生长出只有几个分子层厚的 从而形成 异质结构 因为 的禁带宽度比 大 它成为 导带中电子运动的势垒 由于在这 # # 物理 种结构中势垒可以做得很薄 电子穿过势垒的几率 比较大 量子隧穿效应相当显著 从而在这种薄势垒 异质结构的基础上发展起来了各种以隧穿效应为工 作基础的量子电子器件 本讲首先介绍量子隧穿现 象的物理基础和共振隧穿二极管的基本工作原理 然后介绍一些比较成熟的共振隧穿器件以及它们在 电路中的应用 双势垒共振隧穿二极管的基本工作原理 首先简单回顾一下量子力学中关于隧穿几率的 计算 分子束外延生长的薄层结构中只是在沿生长 方向 通常取作 ζ 方向 形成势垒 载流子在垂直于 生长方向的平面内仍可以自由运动 因此在这种结 构中的量子隧穿几率仍可以用沿 ζ 方向的一维模型 来计算 设势垒的高度为 ? 宽度为 α 一个能量为 Ε 的电子在势垒左 !右侧中可以用如下的薛定谔方 程描述 μ