Diodo de efecto túnel resonante - Resonant-tunneling diode
Un diodo de efecto túnel resonante ( RTD ) es un diodo con una estructura de efecto túnel resonante en el que los electrones pueden atravesar algunos estados resonantes a ciertos niveles de energía. La característica corriente-voltaje a menudo exhibe regiones de resistencia diferencial negativa .
Todos los tipos de diodos tunelizadores utilizan tunelización mecánica cuántica . Una característica de la relación corriente-voltaje de un diodo tunelizador es la presencia de una o más regiones de resistencia diferencial negativa, lo que permite muchas aplicaciones únicas. Los diodos de túnel pueden ser muy compactos y también son capaces de funcionar a una velocidad ultra alta porque el efecto de túnel cuántico a través de las capas muy delgadas es un proceso muy rápido. Un área de investigación activa está dirigida hacia la construcción de osciladores y dispositivos de conmutación que puedan operar a frecuencias de terahercios .
Introducción
Un RTD se puede fabricar utilizando muchos tipos diferentes de materiales (como semiconductores III-V, tipo IV, II-VI) y diferentes tipos de estructuras de túnel resonantes, como la unión p-n fuertemente dopada en diodos Esaki , doble barrera, triple barrera, pozo cuántico o cable cuántico . La estructura y el proceso de fabricación de los diodos tunelizadores interbanda resonantes Si / SiGe son adecuados para la integración con la tecnología bipolar de heterounión de metal-óxido-semiconductor ( CMOS ) y Si / SiGe .
Un tipo de RTD se forma como una única estructura de pozo cuántico rodeada por barreras de capa muy delgadas. Esta estructura se llama estructura de doble barrera. Los portadores como los electrones y los huecos solo pueden tener valores de energía discretos dentro del pozo cuántico. Cuando se coloca un voltaje a través de un RTD, se emite una onda de terahercios , por lo que el valor de energía dentro del pozo cuántico es igual al del lado del emisor. A medida que aumenta el voltaje, la onda de terahercios se extingue porque el valor de energía en el pozo cuántico está fuera de la energía del lado del emisor.
Otra característica que se ve en las estructuras RTD es la resistencia negativa en la aplicación de sesgo, como se puede ver en la imagen generada por Nanohub . La formación de resistencia negativa se examinará en detalle en la sección de funcionamiento a continuación.
Esta estructura se puede desarrollar mediante heteroepitaxia de haz molecular . En particular, se utilizan GaAs y AlAs para formar esta estructura. Se pueden utilizar AlAs / InGaAs o InAlAs / InGaAs.
El funcionamiento de los circuitos electrónicos que contienen RTD se puede describir mediante un sistema de ecuaciones de Liénard , que son una generalización de la ecuación del oscilador de Van der Pol .
Operación
El siguiente proceso también se ilustra a partir de la figura del lado derecho. Dependiendo del número de barreras y del número de estados confinados dentro del pozo, el proceso que se describe a continuación podría repetirse.
Región de resistencia positiva
Para un sesgo bajo, a medida que aumenta el sesgo, el primer estado confinado entre las barreras potenciales se acerca al nivel de Fermi de la fuente , por lo que la corriente que transporta aumenta.
Región de resistencia negativa
A medida que el sesgo aumenta aún más, el primer estado confinado se vuelve más bajo en energía y gradualmente entra en el rango de energía de la banda prohibida, por lo que la corriente que transporta disminuye. En este momento, el segundo estado confinado todavía está muy por encima de la energía para conducir una corriente significativa.
2da región de resistencia positiva
Similar a la primera región, a medida que el segundo estado confinado se acerca cada vez más al nivel de la fuente Fermi, transporta más corriente, lo que hace que la corriente total aumente nuevamente.
Tunelización resonante intrabanda
En la tunelización cuántica a través de una sola barrera, el coeficiente de transmisión, o la probabilidad de tunelización, es siempre menor que uno (para la energía de las partículas entrantes menor que la altura potencial de la barrera). Considerando un perfil de potencial que contiene dos barreras (que están ubicadas cerca una de la otra), se puede calcular el coeficiente de transmisión (en función de la energía de las partículas entrantes) utilizando cualquiera de los métodos estándar.
La construcción de túneles a través de una doble barrera se resolvió por primera vez en la aproximación Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB) de David Bohm en 1951, quien señaló que las resonancias en el coeficiente de transmisión ocurren en ciertas energías de electrones incidentes. Resulta que, para determinadas energías, el coeficiente de transmisión es igual a uno, es decir, la doble barrera es totalmente transparente para la transmisión de partículas. Este fenómeno se llama tunelización resonante. Es interesante que mientras que el coeficiente de transmisión de una barrera potencial es siempre menor que uno (y disminuye al aumentar la altura y el ancho de la barrera), dos barreras en una fila pueden ser completamente transparentes para ciertas energías de la partícula incidente.
Más tarde, en 1964, LV Iogansen discutió la posibilidad de transmisión resonante de un electrón a través de barreras dobles formadas en cristales semiconductores. A principios de la década de 1970, Tsu, Esaki y Chang calcularon la característica de corriente-voltaje (IV) de dos terminales de una superrejilla finita y predijeron que las resonancias podrían observarse no solo en el coeficiente de transmisión sino también en la característica IV. La tunelización resonante también se produce en perfiles potenciales con más de dos barreras. Los avances en la técnica MBE llevaron a la observación de conductancia diferencial negativa (NDC) a frecuencias de terahercios, como informaron Sollner et al. a principios de la década de 1980. Esto desencadenó un esfuerzo de investigación considerable para estudiar la construcción de túneles a través de estructuras de barreras múltiples.
Los perfiles potenciales requeridos para la tunelización resonante se pueden realizar en un sistema de semiconductores usando heterouniones que utilizan semiconductores de diferentes tipos para crear barreras o pozos potenciales en la banda de conducción o la banda de valencia.
Diodos de efecto túnel resonantes III-V
Los diodos de efecto túnel resonantes se realizan típicamente en sistemas de materiales compuestos III-V , donde se utilizan heterouniones formadas por varios semiconductores compuestos III-V para crear barreras potenciales dobles o múltiples en la banda de conducción o banda de valencia. Se han realizado diodos tunelizadores resonantes III-V de rendimiento razonablemente alto. Dichos dispositivos aún no han ingresado a las aplicaciones principales porque el procesamiento de materiales III-V es incompatible con la tecnología Si CMOS y el costo es alto.
La mayoría de los optoelectrónicos de semiconductores utilizan semiconductores III-V, por lo que es posible combinar RTD III-V para hacer circuitos integrados optoelectrónicos (OEICS) que utilizan la resistencia diferencial negativa del RTD para proporcionar ganancia eléctrica para dispositivos optoelectrónicos. Recientemente, la variabilidad de dispositivo a dispositivo en una característica de corriente-voltaje de RTD se ha utilizado como una forma de identificar de forma única dispositivos electrónicos, en lo que se conoce como función física no clonable de confinamiento cuántico (QC-PUF). Se está investigando el comportamiento de picos en los RTD para la computación neuromórfica óptica .
Diodos de efecto túnel resonantes Si / SiGe
Los diodos de efecto túnel resonantes también se pueden realizar utilizando el sistema de materiales Si / SiGe. Se han observado tanto la tunelización de huecos como la tunelización de electrones. Sin embargo, el rendimiento de los diodos tunelizadores resonantes Si / SiGe fue limitado debido a la banda de conducción limitada y las discontinuidades de la banda de valencia entre las aleaciones de Si y SiGe. La tunelización resonante de agujeros a través de heterouniones de Si / SiGe se intentó primero debido a la discontinuidad de la banda de valencia relativamente mayor en las heterouniones de Si / SiGe que la discontinuidad de la banda de conducción para las capas de Si 1 − x Ge x tensas (compresivamente) cultivadas en sustratos de Si. La resistencia diferencial negativa solo se observó a bajas temperaturas pero no a temperatura ambiente. Posteriormente se obtuvo la tunelización resonante de electrones a través de heterouniones Si / SiGe, con una relación de corriente pico a valle limitada (PVCR) de 1,2 a temperatura ambiente. Desarrollos posteriores han realizado RTD de Si / SiGe (túnel de electrones) con un PVCR de 2,9 con un PCD de 4,3 kA / cm 2 y un PVCR de 2,43 con un PCD de 282 kA / cm 2 a temperatura ambiente.
Diodos de efecto túnel resonantes entre bandas
Resonant diodos interbanda túnel (RITDs) combinan las estructuras y comportamientos de ambos intrabanda diodos resonantes de tunelización (RTDs) y convencionales interbanda diodos de túnel, en los que las transiciones electrónicas se producen entre los niveles de energía en los pozos cuánticos en la banda de conducción y que, en la banda de valencia . Al igual que los diodos de efecto túnel resonantes, los diodos de efecto túnel interbanda resonantes se pueden realizar en los sistemas de materiales III-V y Si / SiGe.
RITD III-V
En el sistema de materiales III-V, se han obtenido RITD de InAlAs / InGaAs con relaciones de corriente pico a valle (PVCR) superiores a 70 y tan altas como 144 a temperatura ambiente y RITDs basados en Sb con PVCR a temperatura ambiente de 20 . El principal inconveniente de los RITD III-V es el uso de materiales III-V cuyo procesamiento es incompatible con el procesamiento de Si y es caro.
RITD Si / SiGe
En Si / SiGe sistema de materiales, Si / SiGe diodos de túnel resonante interbanda También se han desarrollado que tienen el potencial de ser integrado en la corriente principal de Si la tecnología de circuitos integrados.
Estructura
Los cinco puntos clave del diseño son: (i) una barrera de tunelización intrínseca , (ii) inyectores dopados en delta , (iii) desplazamiento de los planos de dopaje delta de las interfaces de heterounión , (iv) crecimiento epitaxial del haz molecular a baja temperatura ( LTMBE) y (v) recocido térmico rápido (RTA ) poscrecimiento para la activación de dopantes y la reducción de la densidad de defectos puntuales.
Rendimiento
Se necesita un PVCR mínimo de aproximadamente 3 para aplicaciones de circuito típicas. Los RITD Si / SiGe de baja densidad de corriente son adecuados para aplicaciones de memoria de baja potencia, y se necesitan diodos de túnel de alta densidad de corriente para aplicaciones de señal mixta / digital de alta velocidad. Los RITD Si / SiGe han sido diseñados para tener PVCR a temperatura ambiente de hasta 4.0. La misma estructura fue duplicada por otro grupo de investigación utilizando un sistema MBE diferente , y se han obtenido PVCR de hasta 6.0. En términos de densidad de corriente máxima , se han logrado densidades de corriente máxima que van desde tan solo 20 mA / cm 2 hasta 218 kA / cm 2 , abarcando siete órdenes de magnitud. Se ha obtenido una frecuencia de corte resistiva de 20,2 GHz en SiGe RITD definido por fotolitografía seguido de grabado en húmedo para reducir aún más el tamaño del diodo, que debería poder mejorar cuando se fabrican RITD incluso más pequeños utilizando técnicas como la litografía por haz de electrones.
Integración con Si / SiGe CMOS y transistores bipolares de heterounión
Se ha demostrado la integración de Si / SiGe RITD con Si CMOS. También se demostró la integración vertical de transistores bipolares de heterounión Si / SiGe RITD y SiGe, realizando un elemento de circuito de resistencia diferencial negativo de 3 terminales con una relación de corriente de pico a valle ajustable. Estos resultados indican que los RITD de Si / SiGe son un candidato prometedor para integrarse con la tecnología de circuitos integrados de Si.
Otras aplicaciones
Se han demostrado otras aplicaciones de SiGe RITD utilizando circuitos de tablero, incluida la lógica multiestado.
Referencias
enlaces externos
- Para obtener información sobre aplicaciones optoelectrónicas de RTD, consulte http://userweb.elec.gla.ac.uk/i/ironside/RTD/RTDOpto.html .
- La herramienta de simulación de diodos de tunelización resonante en Nanohub permite la simulación de diodos de tunelización resonantes en condiciones de polarización realistas para dispositivos extendidos de manera realista.