19077

Принципы резонансного туннелирования. Резонансно-туннельный диод (РТД) на двух-барьерных и трех-барьерных структурах. Вольт-амперные характеристики РТД. Генерация излучения на РТД

Практическая работа

Физика

Лекция 6 Принципы резонансного туннелирования. Резонанснотуннельный диод РТД на двухбарьерных и трехбарьерных структурах. Вольтамперные характеристики РТД. Генерация излучения на РТД. Введение В последнее время бурно развивается новая область науки физик

Русский

2013-07-11

745 KB

132 чел.

Лекция 6 

Принципы резонансного туннелирования. Резонансно-туннельный диод (РТД) на двух-барьерных и трех-барьерных структурах. Вольт-амперные характеристики РТД. Генерация излучения на РТД.

Введение

 В последнее время бурно развивается новая область науки - физика наноструктур. Благодаря достижениям технологии молекулярной эпитаксии удается создавать тонкие слои полупроводников толщиной несколько нанометров (~10-8 м)с границей раздела, равной одному межатомному расстоянию. На основе  таких структур  возможно создание различных полупроводниковых устройств. Например, на их основе можно построить генератор электромагнитного излучения с частотой до 1012 Гц. Кроме того РТД интересен как система, в которой довольно просто наблюдать связь между микропараметрами и некоторыми квантовыми свойствами.

Если взять чередующиеся слои полупроводников с различной шириной запрещенной зоны ( что достигается различным легированием этих слоев ), то можно сформировать потенциальный рельеф состоящий из барьеров и ям, которые называются квантовыми  барьерами и квантовыми ямами  ( QW-quantum well ). На рис. 1 и 2 показаны различные типы зависимостей потенциальной энергии U(x) от координаты x ( различные потенциальные рельефы ).

Рис 1. Потенцальный барьер  Рис 2. Потенциальная яма.

Электрон с энергией Е, падающий на барьер, ведет себя как квантомеханическая частица.

Особый интерес представляет собой двухбарьерная структура (  рис. 2).

Если предположить, что U0 , то уравнение Шредингера и граничные условия  имеют вид:

                                                                ( 1 )

   0  b =0  ,  

где Е - энергия электрона ; ћ - постоянная Планка ; m* - эффективная масса электрона ; - волновая функция электрона .  

Уравнение ( 1 ) легко решается

                        ,                                        (  2  )    

,

Здесь pn - импульс электрона , A - нормировочная константа. Видно, что энергетический спектр электронов носит дискретный характер.

Наибольший интерес представляет первый уровень при n=1.Он отвечает условию, когда в потенциальной яме укладывается одна длина волны Де-Бройля. Этот уровень называется резонансным и обозначается Er.

                                                                                                 ( 3 )

Пусть теперь слева на структуру падает поток электронов с энергией Е (рис. 2), волновая функция тогда имеет вид:

где  q2 - падающий поток электронов, D - коэффициент отражения.

Нетрудно найти решение уравнения ( 1 ) и  в этом случае 1 . В частности при x b+a имеем

                                                                        ( 4 )

                                  ,                    (  5 )

где - ширина резонансного уровня. Физический смысл С2- вероятность прохождения электрона через структуру.

   

Видно, что вероятность растет и достигает максимума при ЕЕR , и достигает максимального значения C2=1 при Е=ЕR , а при |Е - ЕR|>   C2  резко падает ( рис. 3 ) , - связана с временем жизни электрона       в QW:

                                                         = ћ,     (  6  )

Вычислим ток через ямы исходя из следующей простой модели. Число электронов N в яме определяется из уравнения:

                                    ,             ( 7 )

где первое слагаемое описывает уход из ямы, а второе - накопление электронов за счет резонанса. В стационарном случае концентрация равна:

                                 N0 =,    (  8  )

Видно, что при  ЕЕ R,  No1/    накапливается большое количество электронов.

Ток  через QW  равен отношению числа N0 и времени ухода:

                                             

                                  (9 )

На практике поток слева создается постоянным полем о, приложенным к структуре; тогда разность потенциалов Vo=o(b+2a). Поле приводит к смещению резонансного уровня:

   

где    ER0 - положение резонансного уровня  без поля.

 Тогда ток  :

                                     

  ( 10)

Для простоты мы положили энергию электронов равной энергии Ферми Ef. Зависимость тока (  10  ) от поля Vo приведенными на рис. 5

 

 ER0-EF                 V0   

    Рис.5 ВАХ РТД

Видно, что при малых напряжениях Vo<<2(ER0-EF) ток очень мал, т.к. энергия электронов далека от ER0. Затем наблюдается резкий рост, соответствующий резонансному туннелированию.

При дальнейшем росте Vo ток резко падает, т.к. энергия снова отклоняется от резонанса. Следует отметить, что производная  dJ/dVo<0, что означает отрицательность дифференциального сопротивления:

Rd=dVo/dJ<0.

      Известно, что Rd<0  приводит к ряду интересных явлений, в частности, к генерации, усилению и др.

       Формула  (10) не учитывает процессов рассеяния на фононах. Если учесть, то это приводит к добавке к слагаемого ph(T), растущего с Т. Это приводит к размазыванию J(V0) и пропаданию области с Rd<0.

Кроме того необходимо учесть накопление заряда в QW,которыйсдвигает резонансный уровень. Последнее приводит гистерезису.  

                     

 Измерение вольт-амперной характеристики резонансно-тунельного диода

1.Образцы для измерений.

 В  настоящей работе используются РТД с двумя и тремя квантовыми барьерами. РТД изготовлены молекулярно-лучевой эпитаксией слоев на подложку GaAs. В результате напыление образовываются двух и трехбарьерные структуры, описание которых представлено в таблице.  

 

    № 296

(n+ подложки)

    № 298

(n+ подложки)

n+

GaAs+Si

1mkm

1.0 mkm

n+ const (Si)

n-

GaAs     (i)

100 A

100 A

GaAs

AlAs

30 A      

30 A

AlAs

GaAs

40 A

50 A

GaAs

AlAs

30 A

30 A

AlAs

n-

GaAs     (i)

50 A

40 A

GaAs

n-

GaAs+Si

500 A

30 A

AlAs

n+

GaAs+Si

0.5 mkm

50 A

GaAs

500 A

n+ const (Si)

0.5 mkm

n+ const (Si)

Далее посредством фотолитографии изготавливается набор 16 х 16 мезоскопических столбиков, имеющих общую базу ( рис. 6).

Рис. 6 Набор мезостолбиков

Рис. 7 Схематичное  изображение отдельного РТД.

Характерный поперечный размер одного столбика 5-20 мкм ( в зависимости от применяемого фотошаблона ). На рис. 7 схематически приведен вид одного столбика. Для измерений используются прижимной контакт 1, изготовленный из бериллиевой бронзы и паянный индием контакт 2.

Экспериментальная установка измерения ВАХ РТД проводятся стандартным четырехконтактным методом. При этом токовые и потенциальные провода припаиваются попарно к  контактам, показанным на рис.8.  Для линейной развертки тока используется стандартный генератор сигналов специальной формы 1, ток с которого подается на измеряемый образец 2. Для контроля тока используется шунт 3. Напряжение с шунта подается на вход X регистрирующего устройства 4. На вход Y напряжение с РТД. В качестве регистрирующего устройства могут быть использованы характериограф, двухкоординатный графопостроитель либо плата АЦП PC. Измерения производятся при температуре кипения жидкого азота.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

2911. Радиовысотомеры 860.5 KB
  Радиовысотомеры 1.Назначение, принцип действия и типы радиовысотомеров Радиовысотомеры (РВ) предназначены для измерения истинной высоты полета летательного аппарата. Они относятся к классу автономных радионавигационных установок, так как не требуют ...
2912. Системы регулирования и устройства регуляторов производительности поршневых компрессоров 2.99 MB
  Системы регулирования и устройства регуляторов производительности поршневых компрессоров  Цель: Изучить физические основы систем и способов регулирования производительности поршневых компрессоров, конструкцию, принцип действия устройств регулир...
2913. Городские здания и сооружения 2.57 MB
  Городские здания и сооружения. Классификация зданий. Требования, предъявляемые к зданиям. Параметры внутренней среды зданий. Типизация, унификация и стандартизация в строительстве. Типовое проектирование. Модульная координация размеров в строительст...
2914. Разработка визуализатора для нахождения максимального потока в сети 2.58 MB
  С момента появления первых электронно-вычислительных машин разработка программного обеспечения и программных продуктов прошла большой путь: от восхищения фактом возможности написать хоть какую-нибудь программу до осознания того, что именно технологи...
2915. Несущие конструкции деревянного каркаса здания 2.69 MB
  Несущие конструкции деревянного каркаса здания Классификация, особенности конструирования и расчета дощатоклееных колонн, балок, рам и арок, цельнодеревянных и металлодеревянных ферм. Дощатоклееные балки обладают рядом преимуществ перед другими сост...
2916. Курс Теоретической Механики 1.71 MB
  Курс Теоретической Механики. Теоретическая механика – изучает равновесие и движение тел под действием приложенных к ним сил. СТАТИКА. Статика рассматривает: замена одной системы сил другой, ей эквивалентной, равновесие тел под действием при...
2917. Бухгалтерский учет 2.08 MB
  В условиях перехода страны на рельсы рыночных отношений бухгалтерский учет является основным звеном формирования экономической политики, инструментом бизнеса, одним из главных механизмов управления производственным процессом и продажей продукции (ра...
2918. Доказательство эквивалентности условий минимальности, индуктивности и обрыва убывающих цепей 1.19 MB
  Одной из наиболее важных и принципиальных аксиом математики является аксиома математической индукции. Как правило, она формулируется и применяется для упорядоченного множества натуральных чисел N. Наиболее распространенная ее форма имеет вид: Если ...
2919. Способы измерения производительности компрессоров 1.95 MB
  Способы измерения производительности компрессоров Цель: Изучить способы и устройства  для измерения производительности (подачи) компрессоров и определить производительность поршневого компрессора в конкретных условиях эксплуатации...