电科专业纳米电新新子学基础第三节

纳米电子学基础

主讲人：杨红官

课程内容：

第一章绪论

第二章纳电子学的物理基础

第三章共振隧穿器件

第章隧穿件

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

第章子子器件

第七章分子电子器件

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

第三章共振隧穿器件

§3.1共振隧穿现象

§3.2共振隧穿器件的输运理论

32

§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

第三章共振隧穿器件

§3.1 共振隧穿现象

§3.2共振隧穿器件的输运理论

32

§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

§3.1 共振隧穿现象

Å1969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

Ga1-x As

能够产生共振隧穿（Resonant Tunneling）现象。并预言若给GaAs/Al

x

双势垒或多势垒结构加上偏压，会出现负微分电阻（Negative Differential

I V特性

Resistance，NDR）的电流电压I-V特性。

Å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AlGaAs/GaAs/AlGaAs双势垒结构，验证了他们的设想。

Å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

隧穿器件（Resonant Tunneling Device，RTD）。

X共振隧穿器件具有以下特点

共振隧穿器件（RTD）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2.5 THz，实际可达712 GHz，RTD的开关时间t r低到1.5 ps。

15ps

§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（5~10 nm），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

§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1.4~5.0 nm ；势阱层用未掺杂的窄带隙材料制成，30~70

nm 宽3.0~7.0 nm 。

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

+AlGaAs/GaAs/AlGaAs 双势垒结构及加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。