Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика) (1051247), страница 53
Текст из файла (страница 53)
Отметим также, что 1( Р) и С( й) не зависят от частоты вплоть до предельных рабочих частот диода. Отличительной особенностью резонансно-туннельного диода является наличие на его вольтамперной характеристике области отрицательного дифференциального сопротивления, что используется в большинстве его практических применений. К наиболее важным электрическим параметрам диода относятся: пиковая плотность тока (реа1с сштепг депз(ту), пиковое напряжение (реа1с уо11аяе) — напряжение в области пика плотности тока, долинная плотносп тока (уа()еу сипепг депз(гу) — плотность тока в минимуме, отношение этих плотностей тока — отношение пнк — долина (реак-го-уайеу табо).
С ростом толщины барьера пиковая плотность тока уменьшается экспоненциально. Ее абсолютная величина, определенная путем численного моделирования, хорошо согласуется с экспериментом, тогда как расчетная величина долинной плотности тока оказывается на один-два порядка меньше экспериментальной. Отношение пик — долина для реальных приборов при комнатной температуре варьируется от единиц до нескольких десятков (при низких температурах это отношение возрастает), хсч я его расчетные значения на порядок больше. Причина такого значительного расхождения заключается в том, что при расчетах пренебрегают эффектами рассеяния, которые приводят к уширению резонансного пика и уменьшению его высоты. Пиковая плотность тока почти не чувствительна к эффектам рассеяния, тогда как долинная плотность тока (а следовательно, и отношение пик — долина) в значи- 3.2 Туннелирооание носителей за адане езнотенииальныебарьеры 261 ент 1 21 Ч1 1 1О 1О' 10ь 2 4 6 8 10 12 14 16 Толщина барьера, монослоев б 10 4 6 8 10 12 14 16 Толщина барьера, монослоев а Рнс.
3.37. Сравнение теоретических н экспериментальных данных для резона- нсно-туннельного диода 0вАз — А1Аз: а — плотность пикового тока; б — отношени- ене токов в пике н долине РУК тельной степени определяются рассеянием носителей заряда на границах колодца. Для достижения высоких рабочих плотностей тока необходимо, чтобы барьеры были достаточно тонкими (несколько моно- атомных слоев), а границы раздела — резкими и четкими.
Однако экспериментально показано, что даже при оптимальных условиях формирования структуры границы раздела никогда не являются химически резкими и абсолютно плоскими. Так, например, переход между ОаАв и А)Ав в наиболее перспективных для практического применения сверхрешетках на основе этих полупроводников происходит в пределах 1 — 4 монослоев. Поэтому потенциальный барьер на их границе не имеет форму идеальной ступеньки, а размыт и зависит от рельефа поверхности границы.
Это приводит к значительному уменьшению отношения пик — долина на вольтамперной характеристике диода и является одной из причин различия между теорией резонансного туннелирования и экспериментальными данными, что проиллюстрировано на рис. 3.37. С точки зрения практического использования резонансно-туннельных диодов наиболее привлекательной характеристикой является их чрезвычайно высокая скорость переключения. Обсуждая факторы, влияющие на быстродействие этих диодов, важно различать два характерных времени отклика: время, необходимое для туннелирования (оно обусловлено квантовыми механизмами), и время, которое требуется для зарядки емкости диода — так называемое ЯС-время.
Время туннелирования определяется временем прохождения электрона через барьер т, и временем его жизни в потенциальном колодце тт Время прохождения через барьер толщиной а приближенно равно т, = а/у„, где у„— скорость движения электрона с резонансной энергией Е„. зб2 Глава З.пе носносителеяэа ааавнизкоразме ныхс к В структурах с барьерами конечной толщины при любых значениях поперечной компоненты импульса (энергии) электрона его волновая функция не локализована полностью внутри колодца. Однако существуют значения энергии (близкие к дискретным резонансным уровням изолированного колодца), при которых, вследствие интерференции отраженных от барьеров электронных волн, амплитуда волновой функции внутри колодца намного больше, чем вне его.
Эти уровни метастабильны: среднее время жизни электрона на таком резонансном уровне т„конечно, что приводит к уширению этого уровня. Ширина уровня Г„связана с т„соотношением неопределенностей (3.2.19) Г„= Й/т„. Значения Г„и т„экспоненциально зависят от толщины и высоты барьера, а также от ширины колодца, определяющей энергию резонансного уровня Е„относительно его дна.
При указанных соотношениях минимальное время резонансного туннелирования (обратно пропорциональное сумме 1/т„+ 1/т,) составляет десятые доли пикосекунды и определяет максимально достижимое быстродействие резонансно-туннельных полупроводниковых элементов нанозлектроники. В реальных же приборах неровности границ и неупругое рассеяние приводят к увеличению времени туннелирования. На практике быстродействие резонансно-туннельных диодов ограничивается не только временем туп пел ирования, но и временем зарядки емкости, т. е.
постоянной Я,С(1'). Это хорошо видно из эквивалентной схемы, приведенной на рис. 3.36, б. При обсуждении достоинств резонансно-туннельных диодов заслуживает внимания их сравнение с диодами Исаки (туннель- ными диодами). Диоды Исаки содержат сильно легированный р-л-переход и имеют похожие вольтамперные характеристики. Одно из наиболее важных преимуществ резонансно-туннельных диодов — это возможность получить высокую плотность максимального тока при относительно низкой емкости. В них достигнута чрезвычайно высокая плотность тока — 6,8 10~ А/ем~ — при удельной емкости около 1,5 10 ~ Ф/см'. Поэтому показатель скорости, определяемый как отношение удельной емкости к пиковой плотности тока, меньше 0,22 пс/В, т.
е. намного меньше, чем для диодов Исаки, в которых он превышает 10 пс/В. Такое сильное различие связано с тем, что плотность тока в резонансно-туннельных диодах можно увеличить путем изменения толщины барьера и ямы, т. е. без уменьшения толщины обедненного слоя. Повы- 3.2.
Туннели оленье яосиязееей заряда через потенячаяьныеба ьеры ЗбЗ сить плотность тока в диодах Исаки можно лишь за счет увеличения концентрации примеси. Следовательно, максимальное быстродействие резонансно-туннельных диодов оказывается намного больше, чем у диодов Исаки. Более того, в резонансно-туннельных диодах удается избежать деградации, наблюдаемой в диодах Исаки из-за диффузионного перераспределения примесей вблизи сильно легированногор-п-перехода.
Предельные рабочие частоты реальных резонансно-туннельных диодов составляют сотни мегагерц, а теоретический предел лежит в терагерцевом диапазоне. 3.2.4.2. Транзисторы Добавление управляющего электрода к резонансно-туннельному диоду превращает последний в резонансно-тумиелвиый трамзистор (гелопапг гиппейпб ггапзигог) и расширяет возможности его применения. Условное обозначение резонансно-туннельного транзистора в электрических схемах и его вольтамперная характеристика изображены на рис. 3.38.
Потенциал, подаваемый на дополнительный электрод, смещает вольтамперную характеристику диода вдоль оси тока. Возможна также комбинация резонансно-туннельного диода с обычным транзистором. Этот вариант использован для создания резонансно-туннельного биполирного транзистора (гезопапг гиппейпл Ыро1аг ггапзезгог) и резонансно-тунмельиого иизамзистора на горичих электронах (гезопапг гимне!~пб йог е!есггоп гпзпзтзгог). Резонансно-туннельный биполярный транзистор представляет собой биполярный транзистор с резонансно-туннельной структурой„встроенной в область перехода эмитгер/база или в саму базу.
У резонансно-туннельного транзистора на горячих электронах эта структура встраивается в эмиттер. Такие приборы имеют отрица- Рнс. 3.38. Условное обозначение резонансно-туннельного транзистора в злектрнческнх схемах н его вольтвмпернме хврвхтернстнкн Напряжение 264 Глава 3. Пе нос носнтелей заряда в ннзкоразмерных структурах...
,жи,«ор и' 1йцад' Рнс. 3.39. Управляемый затвором резонанснотуннельный диод на основе ОаАз — ЧАз 3.2.4.3. Логические аппп)инты Резонансно-туннельные диоды и транзисторы применяются как в аналоговых, так и в цифровых интегральных микросхемах в качестве элементов, имеющих вольтамперную характеристику с участком отрицательного дифференциального сопротивления. Однако далее мы рассмотрим только принципы построения оригинальных сверхбыстродействующих логических вентилей, работа которых основана на переходе из моностабильного в бистабильное состояние (топозтаЫе-ЬгззаЫе Папзглоп 1ойтс е1етеп)з — МОВ11.Ез)ез. Такой переход имеет место в схеме, состоящей из двух последовательно соединенных приборов с отрицательным дифференциальным сопро- Прелломены в работе: Т.
Ллеуоп)1, К. Меаеова, Т. М)щнап~', %е1ййееб аппз йхеаьо16 )оз)с орехайоп ог мовп.е (пзопы)аые-ымаые нвпз)з)оп 1оа)с е1емепб па)пв хезопапызпппеипз напзгиоп, 1еее е1есноп г)ет. )лн. щ10), 475-477 11993). тельную крутизну вольтамперной характеристики в схеме включения с заземленным эмиттером. Кроме перечисленных приборов существуют также транзисторные структуры, представляющие собой уа)раезапемьте заптеерам резонансно-туннелъные диоды (яагет1 гезопапг гиппе11пя Жос(ез). С целью управления условиями резонанса тока затворы в них изготавливают в виде барьеров Шотгки или р — п-переходов вокруг эмитгера.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
