谐振隧穿二极管的物理建模

1、谐振隧穿二极管的物理建模 研究背景 发展现状 RTD工作原理与特性 SPICE仿真和NEMO仿真 量子电容模型及其仿真 未来的发展预测研究背景 1937年Tsu 和Esaki提出了超晶格概念，预言了半导体超晶格的负微分电阻现象。次年Chang等证实了异质势垒结构的电子隧穿，10年后，Scoller等又发现这种结构的电荷输运很快，足以探测2.5THz的信号。人们的探索兴趣大大提高。 纳电子学(Nanoelectronics)的含意是指以纳米级电子器件为基础的电子学。它包含以纳米材料为基础，采用纳米加工技术研制出的纳米电子器件，并以纳米电子器件为主体而组成的电子线路和系统，以及其在电子技术、计算机

2、技术等各个领域中的应用。 纳电子学的出现是微电子技术发展的必然结果，CMOS晶体管的研制，CMOS器件的进一步发展将面临器件的物理极限、工艺极限和器件结构极限。在这些极跟条件下，量子隧穿效应占据了主导地位。这时以量子隧穿效应为基础的纳电子学将成为微电子学强有力的竞争者，随着这种转变，电子技术将开始步入一个新的阶段。发展现状 谐振隧穿二极管(Resonant Tunneling Diode)是基于量子隧穿现象的一种两端负阻纳米器件。随着分子束外延和电子束曝光技术的不断发展，RTD的实验制作已经不难实现。 RTD是有效的利用量子效应最成功的器件之一。它的特性适应了信息社会对提高半导体集成度，突破极

3、限尺寸的要求。这使其成为当前纳米电子学中最负期望的器件，和下一代集成电路的重要发展方向之一。 RTD电路目前主攻方向主要是数字逻辑的应用，还有模拟电路、信号处理及模、数转换器电路、微波方面的尝试。 目前实际制作的RTD单管最高振荡频率已达700GHZ以上，开关时间达1.7ps,完成一个异或(XOR)逻辑功能，TTL电路需33个器件，CMOS需16个器件，而RTD只需4个器件。用RTD组成的静态随机存贮器(SRAM)功耗仅为50nW单元，利用这些特点，RTD已在多态存贮、AD转换、多值逻辑、分频、倍频等方面取得了初步的研究成果。 RTD 是一种异质结的超晶格结构,它的核心是纳米级薄层的宽带隙材料

4、中夹着纳米级薄层窄带隙材料。它是由两个量子势垒夹有一个量子势阱而构成的一种两端量子器件，依靠所谓共振隧穿来工作的，具有负阻的伏安特性。谐振隧穿二极管（RTD）图1 隧穿二极管的工作原理和特性图2 导带能带图及相应的I-V特性谐振隧穿二极管的SPICE和NEMO仿真 二极管量子电容的存在使得谐振隧穿二极管的电容在负分阻区的中心区附近达到最大值，而这个区域恰恰是希望器件能够在偏置电路下工作特性为线性的区域。借助量子电容仿真，推导出一个关于谐振隧穿二极管的分析表达式。在此基础上分析了它对电阻性截止频率的影响，并基于此得出一个谐振隧穿二极管震荡电路的SPICE仿真结果。 能 量（ev）位置（nm）图3

5、 InAs/AlSb RTD能带图 电 容（fF）电压（V） 电 流（mA）图5 RTD 的NEMO和 SPICE仿真C-V的响应 图4 RTD 的NEMO和 SPICE仿真I-V的响应 采用了物理器件模型，NEMO，从而更好的了解其物理本质，并获得数量级精确度的I-V和C-V电路响应参数以验证该简洁SPICE电路仿真模型。 测试器件：InAs/AlSb材料的谐振隧穿二极管。器件物理参数:1.5nm(长5层) 的发射结，7.9nm的量子阱，0.9nm(长3层)的集电结。电压（V） 在NEMO仿真中我们估算出器件的电容为： C= Q / V （1）在这个公式中，当V取10毫伏时，Q 可以通过计算

6、出每一层的电荷数并叠加得出，并且分别计算出正负电荷的总数。计算得出负微分电荷密度为: Q-=aj ( qj0) （2） 同样可以计算出Q+,为了验证计算是否正确，同时列出得出的通过正电荷和负电荷得出的电容值，dQ+/dV和dQ-/dV应该绝对值基本吻合。 一般来说，在计算器件电容时，静电势的收敛误差应该小于等于1V（每一层）以避免积分过程中的存在的噪音误差。如图6所示，在V=0.8V （稍稍低于电流峰值电压）和V=1.0V（NDR区域中心部分）时器件的微分电荷分布。 在电流到达峰值之前，势阱不断把电荷送往发射极，同时集电极不断积累正电荷。在NDR区域，势阱阱效应使得势阱中不断积累正微分电荷，与

7、此相应在发射极不断积累负电荷。微分电荷的数量极和微分电流及器件负阻有关。 正 常 充 电（1016cm-3）位置（nm）图6 在V=0.8V 和V=1.0V 的微分电荷分布 NEMO仿真结果可以用来和SPICE仿真结果做比较以验证该量子电容物理模型，NEMO 得出的RTD结构器件的器件参数仿真结果在数量极上是正确的，而通过联立薛定谔方程和泊松方程进行理论推导得出的结果和一些别的研究者实验结果都得出了相似的结果。量子电容模型及其仿真 采用NEMO仿真方式，可以推导出一个简单的量子电容简并模型。对于正微分电荷区，由于量子势阱相当于发射极的延长了得一部分，继续采用这种模型来计算器件的耗散电容。在I-

8、V曲线图中的NDR区域， 在仿真模块中考虑其耗散电容的影响。 为了推导出该模型，从NEMO对量子电容的定义着手。 量子电容就是在势阱中电荷相对于电压的变化比。从而可以计算出量子电容为： CQ=dQW W/dV （3）RTD电流密度表达式如下： J=- QW /C C （4） 从而有： CQ=dQWdJ/(dJdV)=- C C g g=| g g | c c （5） 图7 RTD等效模型 在我们的SPICE模型中实际上用到的电容公式是： NEMO仿真结果表明近似独立于施加在NDR区域的偏置电压。在改变偏置电压时，它在5.72mev 到6.04mev之间变化，波其值波动幅度大概为5.5%。 （6

9、）图8 SPICE仿真的输出电压图9 SPICE 仿真输出电压傅里叶频谱图10 SPICE仿真的输出电压图11 SPICE 仿真输出电压傅里叶频谱时间（ps） 电压（V）未引入量子电容引入量子电容时间（ps） 电 压（V）频率（THZ）傅里叶频谱傅里叶频谱频率（THZ） RTD 已经显示出广阔的应用前景，可以用于制作电子器件，如高频振荡器、混频、放大器、数模转换器，若将RTD 用于一些三端器件将能制成一些奇妙的集成电路。RTD 可以降低集成电路的尺寸，提高速度，降低能耗，大大提高使用RTD 制成的集成电路的性能，并且还可以按照需要进行分子设计，直接合成出三端器件和逻辑门等一系列具有特定功能的分子器件。目前成功地通过有机合成制备的有机分子RTD还不多，主要原因是合成路线复杂、合成条件比较苛刻、合成产物分离困难、收率低。今后的研究中应改进合成工艺，设计、合成出更多在常温下具有RTD 特性的有机化合物分