Резонансные туннельные диоды

В общем случае резонансно-туннельный диод (resonant tunneling diode- RTD) 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. Условное обозначение, эквива­лентная схема такого диода и общий вид его основных электрических характе­ристик показаны на рисунке 6.

Рисунок 6-Условное обозначение резонансно-туннельного диода (а), его эквивалент­ная схема (б), вольт-амперная и вольт-фарадная характеристики (в)

Эквивалентная схема резонансно-туннельного диода включает в себя ис­точник тока I(V) и емкость C(V), управляемые напряжением, и последовательное сопротивление Rs. Здесь параллельная цепочка из I(V) и C(V) представляет собой собственно диод, a Rs является суммой последовательных сопротивлений, таких как контактные сопротивления. Емкость C(V) является чрезвычайно важной при определении быстродействия прибора. За исключением области напряжений 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. Это должно приниматься во внима­ние при строгом обсуждении быстродействия. Отметим также, что I(V) и C(V) не зависят от частоты вплоть до предельных рабочих частот диода.

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).

Пиковая плотность тока уменьшается экспоненциально с увеличением толщины барьера. Абсолютная величина пиковой плотности тока, полученная моделированием, хорошо согласуется с экспериментальными данными, в то время как расчетная величина долинной плотности тока оказывается на один-два порядка меньше экспериментальных значений.

Отношение токов в максимуме и минимуме для реальных приборов варь­ируется от единиц до нескольких десятков при комнатной температуре (при низких температурах это отношение возрастает), хотя расчетные значения этого параметра на порядок больше. Причина таких расхождений в пренебрежении эффектов рассеивания при расчетах. Эффекты рассеивания расширяют резонанс, в то же время одновременно ослабляя его.

Для достижения высоких рабочих плотностей тока необходимо, чтобы барьеры были тонкими (несколько моноатомных слоев), а границы раздела - резкими, четкими. Однако экспериментально показано, что границы раздела не имеют химически резких, абсолютно плоских границ даже при оптимальных условиях формирования. Так, например, переход между GaAs и AlAs в наибо­лее перспективных для практического применения сверхрешетках на их основе происходит в пределах 1 - 4 монослоев. Поэтому потенциальный барьер на их границе не является строго ступенчатым, а размыт и зависит от рельефа по­верхности границы. Это ведет к значительному уменьшению величины отно­шения токов в максимуме и минимуме области отрицательного дифференци­ального сопротивления на вольт-амперной характеристике диода и объясняет различие между теорией резонансного туннелирования и экспериментальными данными, что и проиллюстрировано рисунке 7.

Рисунок 7-Сравнение теоретических и экспериментальных данных для GaAs- AlAs резонансно-туннельного диода: а - плотность пикового тока;

б - отношение тока в максимуме к току в минимуме (PVR)

С точки зрения практического использования наиболее привлекательны­ми характеристиками резонансно-туннельных диодов являются их чрезвычайно высокие скорости переключения. Обсуждая факторы, влияющие на быстродей­ствие этих диодов, важно разделить два времени отклика: время на туннелирование, которое связано с квантовыми механизмами, и время, которое требуется для зарядки емкости диода и соотносится с теорией цепей.

Рассмотрим указанное «время туннелирования» и «RC-время». Предпо­ложим, что электрическое поле в резонансно-туннельной структуре переходит от нерезонансного к резонансному состоянию за определенное время. Ампли­туда волновой функции в квантовом колодце изменяется до своего стационар­ного значения в ответ на это изменение. Время туннелирования - это и есть время, необходимое для этого изменения, то есть для перехода системы в ус­тойчивое состояние. Это величина порядка времени жизни стабильного резо­нансного состояния в квантовой яме t_life которое равно времени прохождения электроном квантовой ямы. В упрощенном представлении это время задается шириной энергетического уровня Г₀ как

t_life = h/Г₀ (7)

где h - постоянная Планка, а Г₀- ширина энергетического уровня, которая оп­ределяется как полуширина функции вероятности переноса электронов через резонансное состояние.

Г₀ экспоненциально уменьшается с увеличением толщины и высоты барье­ра. Это означает, что для выбранных материалов уменьшение времени туннелиро- вания может быть получено путем уменьшения толщины барьера. Однако выбор оптимальной толщины требует учета зависимости отношения токов в максимуме и минимуме от этого параметра. Теоретический предел быстродействия идеально­го резонансно-туннельного диода оценивается в 0,1 пс. В реальных приборах не­ровности границ и неупругое рассеивание увеличивают время туннелирования.

В большинстве применений быстродействие резонансно-туннельных диодов ограничивается не только временем туннелирования, но и временем за­ряда емкости, то есть постоянной RSC(V). Это хорошо видно из эквивалентной схемы, приведенной на рисунке 7 б.

При обсуждении преимуществ резонансно-туннельных диодов заслужи­вает внимания их сравнение с диодами Есаки (туннельными диодами). Диоды Есаки состоят из сильно легированного р-п перехода и имеют подобные вольт- амперные характеристики. Одно из наиболее важных преимуществ резонансно-туннельных диодов - это возможность получить высокую плотность макси­мального тока при относительно низкой емкости. Так, для резонансно-туннельных диодов достигнута экстремально высокая плотность тока 6,8 х 105 А/см2 при емкости около 1,5 х 10-7. Эти величины указывают на то, что показатель скорости, который определяется как отношение удельной емко­сти к пиковой плотности тока C/Jp, меньше чем 0,22 пс/В. Показатель скорости соответствует скорости изменения напряжения, когда емкость диода заряжает­ся его максимальным током. Эта величина намного меньше, чем для диодов Есаки, которая для последних больше чем 10 пс/В. Возможность такого разли­чия связана с тем, что плотность тока в резонансно-туннельных диодах можно увеличить изменением толщины барьера и ямы, а это может быть достигнуто без уменьшения толщины обедненного слоя. С другой стороны, для того чтобы увеличить плотность тока в диодах Есаки, должна быть увеличена концентра­ция примеси для увеличения толщины туннельного барьера (равно как и обед­ненного слоя). Следовательно, максимальное быстродействие резонанс- но-туннельных диодов может быть намного больше, чем у диодов Есаки. Более того, в резонансно-туннельных диодах можно избежать деградации, наблюдае­мой в диодах Есаки из-за диффузионного перераспределения примесей вблизи сильнолегированного p-n- перехода.