Резонансный туннельный эффект

В гетеропереходах и квантовых ямах отклик электронов на приложенное электрическое поле, направленное параллельно поверхности раздела, соответствует очень высокой подвижности. Рассмотрим отклик электронов на электрические поля, направленные перпендикулярно потенциальным барьерам на поверхностях раздела. В этом случае электроны могут, при соблюдении определенных условий, просто туннелировать через потенциальные барьеры, осуществляя так называемый перпендикулярный транспорт. Туннельные токи через гетеропереходы могут приводить к формированию областей с отрицательным дифференциальным сопротивлением (NDR) на вольт-амперной характеристике, для которых величина протекающего тока уменьшается с ростом прикладываемого напряжения. Этот эффект впервые был обнаружен Лео Эсаки еще в 1957 г. при изучении туннельных диодов с р-п переходами. В 1970 г. он (вместе с Тцу) предположил, что такой же эффект может наблюдаться в токах, протекающих через квантовые ямы, однако лишь к середине 1980-х г. развитие методов осаждения позволило вырастить структуры с гетеропереходами и квантовыми ямами, на основе которых удалось создать реальные устройства, в которых используется обсуждаемый эффект.

Действие электронных устройств на основе эффекта отрицательного дифференциального сопротивления (NDR) квантовых ям связано с так называемым эффектом резонансного туннелирования (RTE), наблюдаемым при прохождении электрического тока через структуру из двух тонких барьеров, между которыми располагается квантовая яма. Вольт-амперная характеристика (зависимость I - V) этих устройств похожа на характеристики туннельных диодов Эсаки. На рис.5, а схематически представлена зона проводимости для двойного гетероперехода с квантовой ямой между переходами. Предполагается, что ширина квантовой ямы настолько мала (5-10 нм), что яма может содержать лишь один электронный уровень с энергией Et (резонансный уровень). Область ямы состоит из слаболегированного GaAs, окруженного слоями AlGaAs с большей шириной запрещенной зоны. Внешние слои состоят из сильнолегированного GaAs n-типа (n+ GaAs), который обеспечивает электрические контакты. Уровень Ферми для п+ GaAs располагается в зоне проводимости, поскольку этот материал может рассматриваться как вырожденный полупроводник

Рис.5. Схематическое представление зоны проводимости резонансного туннельного диода: а - в отсутствие внешнего напряжения; 6 - г - при повышении приложенного напряжения; д - вольт-амперная характеристика системы

Рассмотрим поведение описываемой системы при повышении приложенного электрического напряжения V, начиная с напряжения 0В. Можно ожидать, что при небольшом приложенном напряжении электроны будут туннелировать из зоны проводимости п+ GaAs через потенциальный барьер, в результате чего увеличение напряжения должно приводить к возрастанию тока, что и демонстрирует участок 1 -2 в области малых напряжений на вольт-амперной характеристике (рис.5, д). При дальнейшем росте напряжения до значения2E1/е энергия электронов в п+ GaAs в окрестности уровня Ферми совпадает с резонансным уровнем E1 электронов внутри квантовой ямы, как показано на рис.5, б).

Такое совпадение соответствует резонансу, при котором коэффициент квантовой проницаемости барьера резко возрастает. Резонанс объясняется тем, что при этих условиях волновая функция электрона в яме когерентно отражается между двумя барьерами (этот эффект аналогичен оптическому отражению в резонаторах Фабри - Перо). При этом электронная волна, попадающая в структуру слева возбуждает резонансный уровень электронов в яме, повышая тем самым коэффициент прохождения электронов (а следовательно, и величину тока) через потенциальный барьер, что соответствует области точки 2 на вольтамперной характеристике рис. 5, д. Возникающую при этом ситуацию можно сравнить с впрыскиванием электронов слева в квантовую яму и их дальнейшим освобождением через второй барьер.

Статья в тему

Устройство для автоматизированной тренировки аккумуляторных батарей
В настоящее время наряду с литий-ионными аккумуляторами все еще широко используются никель-кадмиевые. Данные аккумуляторы дешевле литий-ионных и сохраняют свою работоспособность в любых погодных условиях, в то время как литий-ионные аккумуляторы некоторых производителей теряют свою работ ...