Резонансно-туннельный диод

Резона́нсно-тунне́льный дио́д (РТД, англ. resonant-tunneling diode, RTD) — полупроводниковый элемент электрической цепи с нелинейной вольт-амперной характеристикой, в котором используется туннелирование носителей заряда через окружённую двумя потенциальными барьерами потенциальную яму.

Резонансно-туннельный диод имеет участок вольтамперной характеристики с отрицательной дифференциальной проводимостью.

Структура РТД

В резонансно-туннельном диоде используется гетероструктура, в которой потенциальная яма для носителей заряда, например, для электронов, отделена от контактных легированных областей потенциальными барьерами. Например, область потенциальной ямы может быть выполнена из GaAs, области потенциальных барьеров — из Ga_1-xAl_xAs, внешние области — из легированного донорами GaAs. Зависимость потенциальной энергии от координаты вида контакт—барьер—яма—барьер—контакт создается соответствующим профилем энергии края зоны проводимости [math]\displaystyle{ E_c(x) }[/math]. Скачки [math]\displaystyle{ E_c }[/math] имеют место на стыках материалов.

Принцип действия

Через гетероструктуру РТД с высокой вероятностью проходят только те электроны, энергии которых приблизительно совпадают с энергиями квантованных уровней в потенциальной яме. Эта вероятность значительно превышает произведение вероятностей прохождения [math]\displaystyle{ T_1 }[/math], [math]\displaystyle{ T_2 }[/math] через индивидуальные барьеры и может быть близкой к единице. Электроны с большей или меньшей энергией проходят через структуру с крайне низкой вероятностью [math]\displaystyle{ T_1T_2 }[/math].

Основная часть электронов в эмиттирующем контакте расположена энергетически близко к краю зоны проводимости в этой области. При нулевом напряжении этот край обычно лежит ниже, чем даже первый уровень [math]\displaystyle{ E_1 }[/math] ямы. Однако с повышением приложенного к гетероструктуре напряжения происходит деформация профиля [math]\displaystyle{ E_c(x) }[/math] и, когда энергия электронов в эмиттере становится близкой к энергии квантованного уровня внутри ямы, электрический ток через структуру резко увеличивается. Однако при дальнейшем повышении напряжения на диоде электроны эмиттера оказываются выше, чем уровень, по энергии и вероятность их сквозного прохождения снова становится низкой — сила тока через гетероструктуру падает. Как следствие, возникает область отрицательной дифференциальной проводимости. При наличии нескольких уровней ([math]\displaystyle{ E_2 }[/math], [math]\displaystyle{ E_3 }[/math] и т.д.) резонансное прохождение электронов возможно, соответственно, при нескольких напряжениях, но чаще всего используется только первый уровень.

Использование

Отрицательная дифференциальная проводимость резонансно-туннельного диода применяется для создания высокочастотных генераторов электрических колебаний. Частоты таких генераторов могут достигать терагерцового диапазона.

См. также