共振隧穿二极管

共振隧穿二极管学号：51101213025姓名：郁士吉1典型隧道二极管的I-V特性

2双异质结共振隧穿二极管：一层薄的（<20nm），具有较窄带隙的半导体材料（如GaAs、InAs或InGaAs），即所谓的量子阱，夹在两层很薄的（<10nm）具有宽带隙的半导体材料（如AlGaAs、AlSb、AlAs）之间。右图（a）为台面AlAs/GaAs/AlAs谐振隧穿二极管的截面图；

图（b）I-V特性的测量值和理论值。

3量子阱的厚度接近德布罗意波长的量级，阱中电子就被限制在分立的能级上（E1，E2等），偏压V=0时热平衡状态的能带图如上图所示。4当偏压增加时，阴极一侧接近势垒的地方形成一

个积累区，在阳极一侧靠近势垒的地方形成耗尽

区。只有很少的电子能隧穿通过双势垒。一旦偏

压达到某个值，使阴极一侧导带中被占据的能态

与阱中空能态齐平，共振就发生了。在这一点，

许多电子能够隧穿通过左边的势垒进入阱中，并

接着隧穿通过右边的势垒进入阳极一侧导带中未

被占据的能态。此过程对应I-V特性A-B段。

当左边的导带边上升高过E1，能够隧穿通过势垒

的电子数剧减。对应I-V特性的B-C段。5共振隧穿二极管的特点1.高频，高速工作。高速物理机制，RTD本征电容小，有源区短。2.低工作电压，低功耗。电压为0.5V左右，工作电流为毫安量级，如果材料生长过程中做一个预势垒，电流可降到微安级。3.负阻，双稳和自锁特性。4.用少量器件完成多种功能。6共振隧穿二极管的分类台面型平面型7台面结构其发射区(E)、双势垒结构(DBS)和集电区(C)位于沿垂直方向不同的层面上。RTD器件由三个台面构成：(1)由发射极接触金属AuGeNi构成的顶层台面，作用是引出发射极接触，在工艺过程中经常作为腐蚀下一层台面的掩蔽金属层；(2)位于n~GaAs层集电极接触台面，以AuGeNi作为引出电极；(3)压焊点台面为了良好的电绝缘和减小寄生电容，压焊点一般设计在半绝缘GaAs衬底上。8平面结构特点：

器件中所有电极接触都位于顶层同一个平面内。这就需要将纵向器件底部的电极通过纵向电流通道引到顶层表面。9基于共振隧穿的位移传感器：以A1As／GaAs／A1As共振隧穿双势垒(DBRT)结构薄膜作为力敏元件，设计的一种压阻式微位移传感器。偏压为0.85v的情况下灵敏度为1.1811*104V/m，如果DBRT结构换成硅或铜镍合金力敏电阻，设计出同类位移传感器。通过计算，它们的灵敏度分别为0.384l*104V/m和0.1667*104V/m。此灵敏度明显高于后两者。当偏压为0.9V时，S=0.7788*104V/m。所以此传感器灵敏度可调。10基于共振隧穿效应的电磁式微机械陀螺仪:

该陀螺的驱动方式采用电磁驱动，电磁驱动方式利用磁场中产生的安培力来实现,采用共振隧穿二极管所具有的介观压阻效应检测，大幅度提高微陀螺仪的灵敏度；所设计的结构减小了驱动模态和检测模态之间的干扰，很好的解决了机械耦合现象。工作原理：整个陀螺结构放置于z轴方向的匀强磁场中，当驱动导线上通入交变电流时，驱动导线上产生交变驱动力，该交变驱动力的频率与陀螺的固有频率接近；在交变驱动力的作用下，质量块沿着驱动轴(轴)的方向往复运动，若此时在角速度输人轴(y轴)输入角速度，根据陀螺哥氏效应原理，质量块将会在敏感轴方向(z轴)产生进动，该进动位移量通过组合梁机构在检测梁的根部产生应力变化，通过检测RTD电信号的变化量就可以得到系统在Y方向输入的角速度大小。11双势垒隧道发光结的结构：

Si-SiO2-Al-Al2O3-Au双势垒结构和Cu-Al2O3-MgF2-Au双势垒金属-绝缘体-绝缘体-金属隧道结(MIIMJ)。双势垒隧道发光结的结构和器件的示意图如右图12Si-SiO2-Al-Al2O3-Au双势垒结构的发射光谱如下图所示：

波长范围约为300～700nm,谱峰主峰位于480nm左右,而普通Si-SiO2-Au单栅MIS结,其波长范围在500～900nm,波峰有两个,分别位于620nm及735nm左右。比较可知，存在着较明显的“蓝移”现象。所制备的Cu-Al2O3-MgF2-Au结,其发光光谱波长范围约为250～700nm,谱峰主峰位于460.8nm左右,而普通Al-Al2O3-Au单栅MIM结,其波长范围在500～900nm,波峰有两个,分别位于630nm及700nm左右。同样存在着较明显的“蓝移”现象。特点与优势：电子共振隧穿效应使其发光光谱的波长范围及谱峰位置比普通单势垒隧道结均向短波方向发生了移动,为实现短波长发光的研究提供了一条较好的途径。13压控振荡器压控振荡器实现的方法：环形振荡器，是将奇数个倒相器串联形成一个回路，其振荡频率受到倒相器延时的控制；电感电容谐振回路振荡器，是电感与电容串联或并联产生谐振，其振荡频率可以由电压控制可变电容来实现;

除了上面两种比较成熟的振荡器外，近来研究比较热的还有由RTD／MOSFET构成的压控振荡器。14由RTD／MOSFET构成的压控振荡器

参数：RTD的峰值电压为0．31V，谷值电压为0．65V，峰值电流为2．3mA，谷值电流为1mA，峰值电流密度为7500A／cm2，电流峰谷比约为2．3：1，该RTD的负阻IRNl约为262Ω。MOSFET选择了

耗尽型场效应管。当VT固定,Vb增大振荡，周期变小频率增大。

Vb固定，

VT增大，输出频率减小。15由RTD／MOSFET构成的压控振荡器不同于常规压控振荡器形式和压控振荡的调节方式，实现了一种基于负阻器件共振隧穿二极管与MOSFET结合的新型压控振荡器，虽然电路模拟可得到的频率变化范围在440-550MHz，但实际中整个电路受到MOSFET工作频率的限制和分立器件寄生参数影响，实际测得的频率只有20-26MHz，而且MOSFET与RTD的工艺制作不兼容，只能进行混合集成。如果选择与RTD工作频率和工艺都较匹配的高频、高速器件如高速器件高电子迁移率晶体管(HEMT)、异质结晶体管(HBT)等，这样不但可以提高电路的工作频率，而且可以实现单片集成。这种压控振荡电路为RTD与其他高速器件的结合提供了一种新颖的设计思路，因此这一研究对于RTD在高频振荡电路的进一步应用具有重要的意义。16其他方面的研究：微带振荡电路；多谐振荡电路；环形振荡电路；基于共振隧穿二极管的蔡氏电路设计研究；介观压阻型微压力传感器设计；一种利用共振隧穿二极管简化电路的分频器设计等。17参考文献：钱博森.负阻器件负阻电路及其应用[M].天津：天津大学出版社，1993.JohnMDoyl著，吴志刚译.脉冲技术基础[M].北京：人民邮电出版社，1981:390-415.LinCH，YangK，EastJR，eta1．RingoscillatorusinganRTD—HBTheterostructure[J]．JournaloftheKoreanPhysicalSociety，2001，39(3)：572—575．牛苹娟，王伟，郭维廉等.由RTD／MOSFET构成的压控振荡器的设计与实现[J].半导体学报，2007,28（2）：289-293.温延敦，张文栋．介观压阻效应[J]．微纳电子技术，2003，7(8)：41--43．王瑞荣，杜康，李孟委等.基于共振隧穿二极管的微机械陀螺设计[J].传感技术学报，2010.5,23（5）:647-650.张庆伟，温延敦.基于共振隧穿的位移传感器设计[J].传感器与微统,2009,28(2):66-67.WangMX,SunCX.LightemissioneffectofdoublebarrierstructureCu-Al2O3-MgF2-Autunneljunction[J].