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

134 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

20198. Экология и инженерная охрана природы 44.5 KB
  Экология наука об отношении организма или групп организмов к окружающей среде в соответствии с уровнем организации окружающей жизни. Задачи экологии применительно к деятельности инженернопромышленных предприятий: Оптимальные технологические инженерные и проектноконструкторские решения исходя их минимального ущерба окружающей среде и здоровью человека. Прогноз и оценка возможных отрицательных последствий и действий проективноконструкторских предприятий или технологических процессов для окружающей среды. Своевременное выявление и...
20199. Экологические факторы и их действия 945.5 KB
  Экологические факторы делятся на две категории: Факторы неживой природы или абиотические факторы. Факторы живой природы или биотические факторы. Абиотические факторы в свою очередь делятся на: Климатические освещённость температура влажность атмосферное давление скорость движения ветра Почвенногрунтовые плотность механический состав влагоёмкость воздухопроницаемость Орографические рельеф высота над уровнем моря Химические газовый состав воздуха количество растворённых в воде солей и т.
20200. Популяция, её структура и динамика 350 KB
  Стрелки это каналы передачи вещества энергии и информации. Этот процесс идёт с поглощением энергии которая запасается в химических связях органического вещества. Понятие о трофической цепи Трофическая цепь это цепь последовательной передачи вещества и эквивалентной ему энергии от одних организмов до других. упорядоченный поток передачи энергии солнца от продуцентов к консументам различного порядка.
20201. Круговорот веществ в биосфере 106.5 KB
  Он заключается в следующем: горные породы подвергаются разрушению и выветриванию продукты разрушения сносятся потоками воды в Мировой океан. Круговорот воды Нам знакомы 3 состояния воды: твёрдое лёд жидкое собственно вода газообразное водяной пар. Главный источник поступления воды атмосферные осадки а главный источник расхода испарение. Продолжительность кругооборота: океан 3000 лет подземные воды 5000 лет полярные ледники 8500 лет озера 17 лет реки 10 дней вода в живых организмах несколько часов.
20202. Промышленная экология. Промышленное производство и его воздействие на окружающую среду 47.5 KB
  Протяжённость тропосферы 710 километров на полюсах и 1618 километров по экватору. Протяжённость стратосферы примерно 40 километров. До высоты 30 километров температура стратосферы примерно 50оС а затем начинает расти и на высоте 50 километров составляет 10оС. Это связано с наличием в стратосфере озонового слоя расположенного на высоте 2540 километров.
20203. Загрязнение гидросферы 87 KB
  Пресная вода составляет только 25 от всех запасов воды. Примерно 70 пресной воды содержится в ледниках. Ежегодно люди расходуют около 3000 км3 воды из них 150 км3 безвозвратно. Больше всего воды потребляет сельское хозяйство.
20204. Стандартизация и охрана окружающей природной среды 31 KB
  ПДКрз это концентрация которая при ежедневной работе в течение всего рабочего стажа не может вызвать заболевания или отклонения в состоянии здоровья в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколения. ПДКав это максимальная концентрация примеси в атмосфере отнесенная к определению времени усреднено значение которой при периодическом воздействии или на протяжении всей жизни человека не оказывая на него вредного влияния включая отдаленные последствия. Это концентрация присутствие которой допустимо не...
20205. Расчёт предельно допустимого выброса вредного вещества в атмосферу 145 KB
  Нарисуем график зависимости концентрации загрязняющего вещества по оси факела выброса от расстояния до источника выброса. Расчёт предельно допустимого выброса состоит из нескольких частей и первая часть расчёт максимальной приземной концентрации. Все формулы даются для двух вариантов: горячего выброса и холодного выброса.
20206. Контроль загрязнения почв 38 KB
  Кроме ПДК в номенклатуру санитарного состояния почв входят показатели: Общее количество аммонийного азота. Общее количество нитратного азота. Общее количество хлоридов. Общее количество пестицидов.