电科专业纳米电子学基础第三章

纳米电子学基础主讲人：杨红官课程内容：课程内容：第一章绪论第二章纳电子学的物理基础第章隧穿件第三章共振隧穿器件第四章单电子晶体管第五章量子点器件第六章碳纳米管器件第七章分子电子器件第章子子器件第八章纳米级集成系统原理第九章纳电子学发展中的问题第章共振隧穿器件第三章共振隧穿器件§3.1共振隧穿现象§32共振隧穿器件的输运理论§3.2共振隧穿器件的输运理论§3.3共振隧穿二极管的特性分析§3.4共振隧穿二极管模型§3.5基于RTD器件的数字电路§3.6基于RTD器件的模拟电路第章共振隧穿器件第三章共振隧穿器件§3.1共振隧穿现象§32共振隧穿器件的输运理论§3.2共振隧穿器件的输运理论§3.3共振隧穿二极管的特性分析§3.4共振隧穿二极管模型§3.5基于RTD器件的数字电路§3.6基于RTD器件的模拟电路§共振隧穿现象§3.1共振隧穿现象ÅÅ1969年Tsu（朱兆祥）和Esaki（江崎）首先预测到半导体超晶格势垒结构中能够产生共振隧穿（ResonantTunneling）现象。并预言若给GaAs/AlxGa1-xAs双势垒或多势垒结构加上偏压，会出现负微分电阻（NegativeDifferentialResistanceNDR）的电流电压IV特性Resistance，NDR）的电流电压I-V特性。ÅÅ不久，分子束外延技术（MBE）的发明，使人们可以在原子精度内和背景杂质非常低的情况下，有控制地生长外延异质结层。应用这种技术制造出来质非常低的情况下，有控制地生长外延异质结层。应用这种技术制造出来AlGaAs/GaAs/AlGaAs双势垒结构，验证了他们的设想。ÅÅ在共振隧穿和负微分电阻的基础上，一种新型的量子器件应运而生，即共振ÅÅ在共振隧穿和负微分电阻的基础上，种新型的量子器件应运而生，即共振隧穿器件（ResonantTunnelingDevice，RTD）。X共振隧穿器件（RTD）具有以下特点：X共振隧穿器件具有以下特点Ø(1)高速高频。RTD器件的最高频率理论预计值为2.5THz，实际可达712GHz，RTD的开关时间t低到15ps。RTD的开关时间tr低到1.5ps。§共振隧穿现象§3.1共振隧穿现象RTD之所以有如此高的频率和开关速度，是因为在半导体器件各种载流子输运机之所以有如此高的频率和开关速度，是因为在半导体器件各种载流子输运机制中，隧穿机制比漂移和扩散快得多；器件电容很小，在10-14F量级，RC延迟非常小；RTD器件的有源区非常短（5~10nm），缩短了载流子渡越时间。Ø(2)RTD是一种负阻器件。负阻特性可导致双稳态出现，双稳态进一步产生了自锁功能。在数字电路中，触发器才有自锁功能，故从本质上讲，一个RTD器件在自锁功能上就对应一个触发器。因此，用RTD构成数字电路时，可以节省大量的器件面积。Ø(3)RTD器件的另一个重要特点就是可在I-V曲线上产生多峰特性。RTD的多峰特性对于设计研制多态存储器和A/D转换电路非常有利，节省的器件数目更多。Ø(4)RTD器件及电路的耗散功率非常低。其原因是RTD的电容很小，动态功率低，工作时维持在I-V特性的谷值点，电流较低，并且节省器件，电路复杂程度低，也降低了功耗低了功耗。§共振隧穿现象§3.1共振隧穿现象X共振隧穿的结构Ø共振隧穿器件的基本结构如右图所示的双势垒量子阱（DBQW）Ø这种结构包含两个势垒层和一个势阱层。势垒层一般是用未掺杂的宽带隙材料制成，宽1.4~5.0nm；势阱层用未掺杂的窄带隙材料制成，宽30~70nm宽3.0~7.0nm。Ø势阱层称为基极，左侧势垒称为发射势垒，发生势垒的外侧为N+AlGaAs/GaAs/AlGaAs双势垒结构及加上偏压的情形为发射势垒，发生势垒的外侧为N重掺杂的发射区；右侧势垒称为收集势垒，收集势垒的外侧为集电区，样也重掺杂的上偏压的情形同样也是N+重掺杂的。§共振隧穿现象§3.1共振隧穿现象X共振隧穿的结构Ø当发射区相对于集电区加一个正向偏置时，使发射区的费米能级RTD典型的I-V特性正向偏置时，使发射区的费米能级与势阱中的共振能级E1一样高，电子从发射区向集电区的透射率增加，从而形成正向电流典特从而形成正向电流。Ø同时，从集电区到发射区的反向电流被抑制，因为集电区的费米能级面对较高的势垒此时在RTD中出现电子的共振隧穿电流随电压增大对较高的势垒。此时在RTD中出现电子的共振隧穿，电流随电压增大。Ø进一步加大偏置，使发射区的导带底与共振能级一样高时，再增大偏压，将切断用于共振能级的电子供给电流随电压显著减小出现现象将切断可用于共振能级的电子供给，电流随电压显著减小，出现NDR现象。”在这种结构中电子输运的本质是在一定的偏压下，电子在某一特定的能”在这种结构中电子输运的本质是在定的偏压下，电子在某特定的能带（能级）结构中运动。§共振隧穿现象§3.1共振隧穿现象X共振隧穿的机理Ø由于接触区是重掺杂材料制造的，具有高的电子浓度且与DBQW形成欧姆接触。接触区与周围环境处于热平衡状态。Ø发射区的电子在偏置电压的作用下，入射到DBQW结构。粗略地可以用类似于光波干涉的方法来描述。由于电子具有波的性质，进入势阱的电子在势阱的两个界面经历多次反射，多重反射是否破坏电子的相干性，取决在势阱的两个界面经历多次反射，多重反射是否破坏电子的相干性，取决于电子波的波长。只有具有某一波长的光保持相位的相干性，具有接近于1的透射几率。Ø对于电子波来说，波长与能量相对应，波长一定能量就一定。因此，可以说，电子在DBQW中隧穿的过程中，只有具有势阱某些共振能级的电子，才会发生共振隧穿才会发生共振隧穿。Ø由于材料和器件的非理想特性，不可避免出现各种展宽机制，使得在一定能量范围的电子都有较大的隧穿几率（不一定等于1），范围以外的电子隧穿几率很小。另外，晶格振动、杂质、界面粗糙、合金无序等因素都会对器件性质造成影响。§共振隧穿现象§3.1共振隧穿现象X共振隧穿的过程电流与不同偏置状态的关系电流与不同偏置状态的关系§共振隧穿现象§3.1共振隧穿现象X共振隧穿的温度影响Ø人们发现，RTD的I-V特性有一定的非对称性，这可能是由于制备定的非对称性，这可能是由于制备过程中杂质扩散的不均匀性和阱两侧界面粗糙程度不一致造成的。Ø对于大多数应用来讲，希望NDR器件有较大的峰谷比PVR（PeaktoValleyRatio），右图PVR为6:1.不同温度下RTD的I-V特性Ø当温度增加时，PVR减小，直到NDR完全消失。因为随着温度的升高，载流子的热发射电流增大，同时热涨落导致共振能级的透射率函数展宽变大，而且在高温下声子辅助隧穿几率也增大这些效应都导致了峰谷比的降低负微且在高温下声子辅助隧穿几率也增大。这些效应都导致了峰谷比的降低，负微分电阻现象消失。第章共振隧穿器件第三章共振隧穿器件§3.1共振隧穿现象§32共振隧穿器件的输运理论§3.2共振隧穿器件的输运理论§3.3共振隧穿二极管的特性分析§3.4共振隧穿二极管模型§3.5基于RTD器件的数字电路§3.6基于RTD器件的模拟电路§共振隧穿器件的输运论§3.2共振隧穿器件的输运理论X势阱中能量的量子化Ø对于势阱高度为V0，势阱宽度为Lw的量子阱，电子状态满足薛定谔方程：单量子阱示意图)()()()(2)(22*2zEΨzΨzVdzzΨdmzHΨ=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+−=h势阱中分立能级和相应的波函数为：222nπh()⎪⎬⎫⎪⎨⎧⎥⎤⎢⎡−∝zEVmzΨzn210*2exp)(...,2,1,22*==zwznnLmnEzπh()⎪⎭⎬⎪⎩⎨⎥⎥⎦⎢⎢⎣−∝zzΨz2exp)(h势阱中分立能级的间隔为势阱中分立能级的间隔为：()[]222*221,112zzwnnnnnnLmEEEzzzz−+=−=Δ++πhw”阱宽越小，能级的位置越高，能级的间隔也越大。§共振隧穿器件的输运论§3.2共振隧穿器件的输运理论X势阱中能量的量子化阱宽变化时量子阱中的能级及电子态密度分布§共振隧穿器件的输运论§3.2共振隧穿器件的输运理论X电子的单势垒隧穿Ø电子面对单势垒时，波函数一部分透过势垒，一部分被反射回来。透射几率可单势垒隧穿示意图以由薛定谔方程解出。这里不再详细推导，直接给出结果。单势垒隧穿的透射率为：2321234)(kkA()23213222321312134sinh4)(kkakkkkkAAET++==其中212*12⎟⎟⎞⎜⎜⎛=Emk()2120*32⎥⎤⎢⎡−=EVmk21⎟⎟⎠⎜⎜⎝hk23⎥⎦⎢⎣hk§共振隧穿器件的输运论§3.2共振隧穿器件的输运理论X相干隧穿过程Ø相干隧穿模型是在散射作用忽略不计，隧穿过程中始终保持相位相干的情况下适相干隧穿用的。Ø电子隧穿相当于光波进入谐振腔经多次反射后光强增强后透射出去的过程。Ø假设发射势垒和收集势垒的透射率分别为和共振隧穿时透射率为别为TE和TC，共振隧穿时透射率为()204)(CETTTTEET==非相干隧穿()20)(CETT+非共振隧穿时透射率为CETTEET=≠)(0§共振隧穿器件的输运论§3.2共振隧穿器件的输运理论X相干隧穿过程Ø可以看出，当E=E0或E=E1时，T(E)=1，发生共振隧穿；时，T(E)1，发生共振隧穿；当能量偏离E0或E1时，T(E)迅速下降，体现出共振隧穿和非共振隧穿的区别当E增大接1DBQW中隧穿几率与电子波能量的关系共振隧穿的区别。当E增大接近于势垒高度V0时，电子输运主要通过热电子发生过程。Ø有了T(E)后，就可以计算隧穿电流密度：∫∞*Tkem[]∫∞−=0032)()(),(2EfEfVEdETTkemJRLBhπ()⎤⎡*()()∫∞⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−+−+=0032*/exp1/exp1ln),(2TkeVEETkEEVEdETTkemJBFBFBhπ§共振隧穿器件的输运论§3.2共振隧穿器件的输运理论X共振隧穿的过程双势阱RTD导带曲线示意图，现1→2‘处于共振态在4.2K低温下，两个电压偏置方向测量的双势阱RTDI-V曲线第章共振隧穿器件第三章共振隧穿器件§3.1共振隧穿现象§32共振隧穿器件的输运理论§3.2共振隧穿器件的输运理论§3.3共振隧穿二极管的特性分析§3.4共振隧穿二极管模型§3.5基于RTD器件的数字电路§3.6基于RTD器件的模拟电路§共振隧穿极管的特性分析§3.3共振隧穿二极管的特性分析X特性参数Ø前面我们讨论了理想情况下双势垒量子阱发生共振隧穿时的能带变化和基本共振隧穿二极管的理想I-V特性曲线电流电压特性。ØRTD主要特性参数：共振隧穿二极管的理想IV特性曲线ØRTD主要特性参数：正电阻区的平均电阻：PPPIVR=1PI负电阻区的平均电阻：VPPIIVVR−−=2PVNIIVVR−−=VPIIVPII峰谷电压比PVVR：PV=PVVR峰谷电流比PVCR：PI=PVCR峰谷电压比PVVR：VVPVVR峰谷电流比PVCR：VIPVCR§共振隧穿极管的特性分析§3.3共振隧穿二极管的特性分析X散射对RTD特性的影响Ø在量子力学中，散射现象也称碰撞现象。对于共振隧穿器件的特性具有非常重要影响的散射过程包括电子-声子散射、杂质散射等。共振隧穿过程中，电子受到散射会引起动量和能量弛豫，破坏电子波的相位相干性。X材料结构对RTD特性的影响Ø共振隧穿二极管的特性，特别是负阻特性直接与所用的材料及特定的器件结构，如势垒宽度LB、势阱宽度LW、势垒高度HB、发射区掺杂浓度NE有密切的关系的关系。ØRTD的电流密度J由两部分组成，共振隧穿电流密度JRT和过剩电流密度Jex，Je主要包含非弹性隧穿电流和热电子发射电流Jth，Jth对温度敏感，随温度升Jex主要包含非弹性隧穿电流和热电子发射电流Jth，Jth对温度敏感，随温度升高而增大。Jex随电压V指数增长，在高电压处Jex变大。因此，若VV较高，则IV中Iex成分变大，导致PVCR变小。”故VP和VV值较低时有利于提高峰谷电流比。在进行RTD材料结构设计时，主要任务就是设法提高JRT所占的比例，减少Jex所占的比例。§共振隧穿极管的特性分析§3.3共振隧穿二极管的特性分析R