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

124 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

45410. Понятие и признаки преступления 28.5 KB
  Понятие и признаки преступления Понятие преступления определяет статья 14 УК РФ: Преступлением признается виновно совершенное общественно опасное деяние запрещенное настоящим Кодексом под угрозой наказания. Из этого определения вытекают четыре обязательных признака преступления: общественная опасность противоправность виновность и наказуемость. Общественная опасность как признак преступления является качественным или материальным признаком. Общественная опасность является объективным свойством преступления.
45411. Понятие и признаки состава преступления 25.5 KB
  Понятие и признаки состава преступления Состав преступления это совокупность объективных и субъективных признаков закрепленных в уголовном законе которые характеризуют общественно опасное деяние как конкретное преступление. Признаки преступления это указанные в законе конкретные свойства преступления которые позволяют отграничить один состав преступления от другого. Элементы состава преступления включают группу признаков и соответствуют различным сторонам преступления: объекту объективной стороне субъекту и субъективной стороне....
45413. Понятие уголовного права 37.5 KB
  Нет преступления нет наказания без точного указания на то в законе. Тем не менее принцип равенства перед уголовным законом не означает что все лица совершившие преступления в том числе и тождественные подлежат одинаковой ответственности и им назначается одинаковое наказание например к несовершеннолетним не может быть применена смертная кара и т. соответствовать характеру и степени общественной опасности преступления а также личности виновного. Понятие и признаки состава...
45414. Принципы уголовного права 25 KB
  Принципы уголовного права Принцип законности ст. 3 УК конституционный принцип уголовного права. Данный принцип определяет что преступность и наказуемость деяния определяется только уголовным законом Российской Федерации. Данный принцип запрещает применение уголовного закона по аналогии ч.
45415. Строение и система уголовного права 29 KB
  Особенная часть уголовного права изучает конкретные преступления по их родам и видам: преступления против жизни здоровья личности; против свободы чести и достоинства личности; против половой неприкосновенности и половой свободы личности; против конституционных прав и свобод человека и гражданина; против семьи и несовершеннолетних; против собственности; преступления в сфере экономической деятельности; против интересов службы в коммерческих и иных организациях; против общественной безопасности; против здоровья населения и общественной...
45416. Понятие уголовной ответственности 26 KB
  Понятие уголовной ответственности Уголовная ответственность разновидность юридической ответственности. 8 УК РФ указывает что является основанием уголовной ответственности. Наибольшее распространение имеют три подхода к определению уголовной ответственности: обязанность лица совершившего преступление отвечать за содеянное в соответствии с уголовным законом; применение к виновному лицу мер уголовноправового характера; судимость как правовое последствие назначения наказания. Момент начала и окончания уголовной ответственности...
45417. Виды наказаний 23 KB
  44 УК РФ предусмотрены следующие виды наказаний: штраф; лишение права занимать определенные должности или заниматься определенной деятельностью; лишение специального воинского или почетного звания классного чина и государственных наград; обязательные работы; исправительные работы; ограничение по военной службе; ограничение свободы; арест; содержание в дисциплинарной воинской части; лишение свободы на определенный срок; пожизненное лишение свободы; смертная казнь. 45 УК РФ к основным видам наказания относятся: ...
45418. Умысел и его виды 31 KB
  Прямой умысел характеризуется тем что лицо совершившее преступление осознавало общественно опасный характер своих действий бездействия предвидело возможность или неизбежность наступления общественно опасных последствий интеллектуальный признак и желало их наступления волевой признак ч. Косвенный умысел характеризуется тем что лицо совершившее преступление осознавало общественно опасный характер своих действий бездействия предвидело возможность наступления общественно опасных последствий интеллектуальный момент не желало но...