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

118 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

84372. Оповідання В. О. Сухомлинського «Я хочу сказати своє слово» 43.5 KB
  Мета: формувати навички правильного виразного читання; збага чувати словниковий запас учнів словами ввічливості вчити використовувати їх у своєму мовленні; розвивати мовленнєві уміння уяву спостережливість пам’ять; уміння слухати вчите ля самостійно висловлювати свою думку вчити добирати...
84374. Закріплення літери ц. Опрацювання тексту «Циркова залізниця» 56.5 KB
  Ви у цирку побувайте І багато чого взнайте а Словникова робота. А як називається те місце в цирку де відбувається вистава Арена круглий майданчик посередині цирку де виступають артисти цирку. Що вам сподобалося в цьому цирку в Читання оповідання ланцюжком.
84375. Г. Скребицький «Їжачок теж прокинувся» 93 KB
  Мета: Розвивати і удосконалювати техніку читання. Розвивати творчі та пізнавальні інтереси учнів. Виховувати любов до природи. Обладнання: картини Весна. Малюнки тварин. Картки. Хід уроку: Побажаємо собі успіху. Посміхнемося. Нехай гарний настрій допоможе нам.
84376. Закріплення звукових значень букви «зе». Читання слів. Опрацювання тексту 50.5 KB
  Читання слів. Закріпити набуті знання про букву з; її звукове значення; формувати в учнів уміння читати слова з буквою з; удосконалювати вміння робити звуковий та звукоскладовий аналіз слів; розвивати уяву навички виразного читання увагу мислення фонематичний слух пізнавальний...
84377. Вироблення навичок виразного та свідомого читання. Г.Храпач «Вишенька вродила» 62.5 KB
  Мета: Виробляти навички виразного та свідомого читання. Розширити кругозір учнів. Збагачувати словниковий запас. Розвивати пізнавальні та творчі здібності учнів. Виховувати доброзичливе ставлення до оточуючих.
84378. Відпрацювання літературної (дзвінкової) вимови слів з виучуваними звуками (віз, казка, слизько). Заучування скоромовки 58 KB
  Вчити дітей правильно артикулювати звуки [ з ], [ з ]; виправляти в читанні складів та слів з буквою “зе”; збагачувати активний словник учнів; розвивати їх уважність, спостережливість, логічне мислення
84379. Закріплення знань про звук ж, букви Ж, ж (же). Опрацювання народної казки «Лисичка і Журавель» 51.5 KB
  Мета: - закріплювати вміння читати слова, речення з вивченими буквами; формувати навички читання вголос; розвивати зв’язне мовлення, збагачувати словниковий запас учнів; виховувати любов до тварин.
84380. Г. Черінь “Чи ми з природою єдині...”; І. Драч “В товаристві джмеля”; Д. Білоус “Пісенька до куличка”; К. Перелісна “Песик і хлопці” 38.5 KB
  Мета: розвивати образне бачення поетичних картин уміння простежувати взаємозв’язок людини з природою знаходити спільне й відмінне в його зображенні в різних віршах; удосконалювати вміння читати діалоги; знаходити рими.