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

136 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

82468. Основные макроэкономические показатели и система национальных счетов (ВВП; ВНП; ЧНП; НД) 35.99 KB
  Валовой национальный продукт ВНП рыночная стоимость всех предназначенных для конечного потребления товаров и услуг произведенных принадлежащими данной стране факторами производства в течение определенного периода времени года. При подсчете ВНП учитываются товары и услуги произведенные факторами производства принадлежащими данной стране. Номинальный ВНП ВВП измеряет стоимость выпуска в данном периоде по ценам этого периода или в текущих денежных единицах.
82469. Макроэкономическое равновесие на рынке товаров и распределение уровня национального дохода 64.25 KB
  Модель DS позволяет рассмотреть механизм формирования равновесного объема национального производства в краткосрочном периоде в условиях изменяющихся цен. Точка Е1 отражает ситуацию макроэкономического равновесия при высоком уровне безработицы и негибкости цен. Увеличение совокупного спроса на кейнсианском отрезке приводит к увеличению реального объема национального продукта но не затрагивает уровня цен. Точка Е2 характеризует макроэкономическое равновесие в условиях неполной занятости наличия узких мест в экономике и отставания темпов...
82470. Кредитно–денежная система и кредитно-денежная политика 35.54 KB
  Кредитно-денежная система это совокупность кредитных отношений форм и методов кредитования осуществляемых кредитно-финансовыми институтами которые создают аккумулируют и предоставляют экономическим субъектам денежные средства в виде кредита на условиях срочности платности и возвратности. Современная кредитноденежная система государства складывается из банковской системы Центробанк и коммерческие банки и совокупности так называемых специализированных небанковских кредитнофинансовых институтов способных аккумулировать временно...
82471. Рынок ценных бумаг. Структура, организация и функции рынка ценных бумаг 38.45 KB
  По виду ценных бумаг рынок облигаций рынок акций рынок производных финансовых инструментов. По эмитентам рынок ценных бумаг предприятий рынок государственных ценных бумаг и т. По срокам рынок кратко средне долгосрочных и бессрочных ценных бумаг. По видам сделок кассовый рынок подразумевает мгновенное исполнение сделок форвардный рынок и т.
82472. Налогово-бюджетная система и налогово-бюджетная политика. Кривая Лаффера 147.69 KB
  Бюджетноналоговая политика это такая политика которая направлена на стабилизацию экки с помощью гос. От качества федерального бюджета от уровня собираемости налогов зависят инвестиционные возможности госва уровень соц. защиты граждан предпринимательская активность взаимоотношения РФ с другими странами и в целом результативность всей внутренней и внешней политики госва. Бюджетноналоговая политика представляет собой совокупность мер правительства по изменению гос.
82473. Бюджетный дефицит и способы его финансирования(дискреционная и недискреционная налогово-бюджетная политика, встроенные стабилизаторы) 34.35 KB
  Дискреционная гибкая налоговобюджетная политика это сознательное манипулирование со стороны законодательной власти налогообложением и государственными расходами с целью воздействия на уровень экономической активности. Недискреционная налоговобюджетная политика это автоматические изменения в уровне налоговых поступлений независимые от принятия решений правительством. Законодательный орган определяет только ставки налогов а не размер налоговых поступлений бюджетная политика является результатом действия автоматических или встроенных...
82474. Проблема сбалансированности государственного бюджета. Государственный долг и его экономические последствия 34.92 KB
  Различают два вида государственного долга: внутренний и внешний. Серьезные проблемы и негативные последствия большого государственного долга заключаются в следующем:  Снижается эффективность экономики поскольку отвлекаются средства из производственного сектора экономики как на обслуживание долга так и на выплату самой суммы долга;  Перераспределяется доход от частного сектора к государственному;  Усиливается неравенство в доходах;  Рефинансирование долга ведет к росту ставки процента что вызывает вытеснение инвестиций в...
82475. Инфляция и антиинфляционная политика. Причины и виды инфляции. Эффект Фишера. Кривая Филлипса 35.29 KB
  Причины и виды инфляции. Антиинфляционная политика это комплекс мер по государственному регулированию экономики направленный на подавление инфляции. Причины инфляции: нарушение закона денежного обращения; диспропорции между спросом и предложением; диспропорции между доходами и расходами государства; диспропорции между источниками кредитных ресурсов и их использованием; диспропорции между денежной массой в обращении и реальными потребностями. Виды инфляции...
82476. Социальная политика государства. Кривая Лоренца и коэффициент Джини 40.92 KB
  Кривая Лоренца и коэффициент Джини. Для измерения фактического распределения доходов используюткривую Лоренца и коэффициент Джинипоказывающие какая доля совокупного дохода приходится на каждую группу населения что позволяет судить об уровне экономического неравенства в данной стране. Кривая Лоренца это метод графического изображения уровня концентрации явления. Равномерное распределение признака будет представлено в таком случае диагональю называемой линией равномерного распределения а неравномерное линией Лоренца...