共振隧穿二極管

共振隧穿二極管學(xué)號：51101213025姓名：郁士吉1典型隧道二極管的I-V特性

2雙異質(zhì)結(jié)共振隧穿二極管：一層薄的（<20nm），具有較窄帶隙的半導(dǎo)體材料（如GaAs、InAs或InGaAs），即所謂的量子阱，夾在兩層很薄的（<10nm）具有寬帶隙的半導(dǎo)體材料（如AlGaAs、AlSb、AlAs）之間。右圖（a）為臺面AlAs/GaAs/AlAs諧振隧穿二極管的截面圖；

圖（b）I-V特性的測量值和理論值。

3量子阱的厚度接近德布羅意波長的量級，阱中電子就被限制在分立的能級上（E1，E2等），偏壓V=0時熱平衡狀態(tài)的能帶圖如上圖所示。4當(dāng)偏壓增加時，陰極一側(cè)接近勢壘的地方形成一

個積累區(qū)，在陽極一側(cè)靠近勢壘的地方形成耗盡

區(qū)。只有很少的電子能隧穿通過雙勢壘。一旦偏

壓達(dá)到某個值，使陰極一側(cè)導(dǎo)帶中被占據(jù)的能態(tài)

與阱中空能態(tài)齊平，共振就發(fā)生了。在這一點(diǎn)，

許多電子能夠隧穿通過左邊的勢壘進(jìn)入阱中，并

接著隧穿通過右邊的勢壘進(jìn)入陽極一側(cè)導(dǎo)帶中未

被占據(jù)的能態(tài)。此過程對應(yīng)I-V特性A-B段。

當(dāng)左邊的導(dǎo)帶邊上升高過E1，能夠隧穿通過勢壘

的電子數(shù)劇減。對應(yīng)I-V特性的B-C段。5共振隧穿二極管的特點(diǎn)1.高頻，高速工作。高速物理機(jī)制，RTD本征電容小，有源區(qū)短。2.低工作電壓，低功耗。電壓為0.5V左右，工作電流為毫安量級，如果材料生長過程中做一個預(yù)勢壘，電流可降到微安級。3.負(fù)阻，雙穩(wěn)和自鎖特性。4.用少量器件完成多種功能。6共振隧穿二極管的分類臺面型平面型7臺面結(jié)構(gòu)其發(fā)射區(qū)(E)、雙勢壘結(jié)構(gòu)(DBS)和集電區(qū)(C)位于沿垂直方向不同的層面上。RTD器件由三個臺面構(gòu)成：(1)由發(fā)射極接觸金屬AuGeNi構(gòu)成的頂層臺面，作用是引出發(fā)射極接觸，在工藝過程中經(jīng)常作為腐蝕下一層臺面的掩蔽金屬層；(2)位于n~GaAs層集電極接觸臺面，以AuGeNi作為引出電極；(3)壓焊點(diǎn)臺面為了良好的電絕緣和減小寄生電容，壓焊點(diǎn)一般設(shè)計在半絕緣GaAs襯底上。8平面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

器件中所有電極接觸都位于頂層同一個平面內(nèi)。這就需要將縱向器件底部的電極通過縱向電流通道引到頂層表面。9基于共振隧穿的位移傳感器：以A1As／GaAs／A1As共振隧穿雙勢壘(DBRT)結(jié)構(gòu)薄膜作為力敏元件，設(shè)計的一種壓阻式微位移傳感器。偏壓為0.85v的情況下靈敏度為1.1811*104V/m，如果DBRT結(jié)構(gòu)換成硅或銅鎳合金力敏電阻，設(shè)計出同類位移傳感器。通過計算，它們的靈敏度分別為0.384l*104V/m和0.1667*104V/m。此靈敏度明顯高于后兩者。當(dāng)偏壓為0.9V時，S=0.7788*104V/m。所以此傳感器靈敏度可調(diào)。10基于共振隧穿效應(yīng)的電磁式微機(jī)械陀螺儀:

該陀螺的驅(qū)動方式采用電磁驅(qū)動，電磁驅(qū)動方式利用磁場中產(chǎn)生的安培力來實(shí)現(xiàn),采用共振隧穿二極管所具有的介觀壓阻效應(yīng)檢測，大幅度提高微陀螺儀的靈敏度；所設(shè)計的結(jié)構(gòu)減小了驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)之間的干擾，很好的解決了機(jī)械耦合現(xiàn)象。工作原理：整個陀螺結(jié)構(gòu)放置于z軸方向的勻強(qiáng)磁場中，當(dāng)驅(qū)動導(dǎo)線上通入交變電流時，驅(qū)動導(dǎo)線上產(chǎn)生交變驅(qū)動力，該交變驅(qū)動力的頻率與陀螺的固有頻率接近；在交變驅(qū)動力的作用下，質(zhì)量塊沿著驅(qū)動軸(軸)的方向往復(fù)運(yùn)動，若此時在角速度輸人軸(y軸)輸入角速度，根據(jù)陀螺哥氏效應(yīng)原理，質(zhì)量塊將會在敏感軸方向(z軸)產(chǎn)生進(jìn)動，該進(jìn)動位移量通過組合梁機(jī)構(gòu)在檢測梁的根部產(chǎn)生應(yīng)力變化，通過檢測RTD電信號的變化量就可以得到系統(tǒng)在Y方向輸入的角速度大小。11雙勢壘隧道發(fā)光結(jié)的結(jié)構(gòu)：

Si-SiO2-Al-Al2O3-Au雙勢壘結(jié)構(gòu)和Cu-Al2O3-MgF2-Au雙勢壘金屬-絕緣體-絕緣體-金屬隧道結(jié)(MIIMJ)。雙勢壘隧道發(fā)光結(jié)的結(jié)構(gòu)和器件的示意圖如右圖12Si-SiO2-Al-Al2O3-Au雙勢壘結(jié)構(gòu)的發(fā)射光譜如下圖所示：

波長范圍約為300～700nm,譜峰主峰位于480nm左右,而普通Si-SiO2-Au單柵MIS結(jié),其波長范圍在500～900nm,波峰有兩個,分別位于620nm及735nm左右。比較可知，存在著較明顯的“藍(lán)移”現(xiàn)象。所制備的Cu-Al2O3-MgF2-Au結(jié),其發(fā)光光譜波長范圍約為250～700nm,譜峰主峰位于460.8nm左右,而普通Al-Al2O3-Au單柵MIM結(jié),其波長范圍在500～900nm,波峰有兩個,分別位于630nm及700nm左右。同樣存在著較明顯的“藍(lán)移”現(xiàn)象。特點(diǎn)與優(yōu)勢：電子共振隧穿效應(yīng)使其發(fā)光光譜的波長范圍及譜峰位置比普通單勢壘隧道結(jié)均向短波方向發(fā)生了移動,為實(shí)現(xiàn)短波長發(fā)光的研究提供了一條較好的途徑。13壓控振蕩器壓控振蕩器實(shí)現(xiàn)的方法：環(huán)形振蕩器，是將奇數(shù)個倒相器串聯(lián)形成一個回路，其振蕩頻率受到倒相器延時的控制；電感電容諧振回路振蕩器，是電感與電容串聯(lián)或并聯(lián)產(chǎn)生諧振，其振蕩頻率可以由電壓控制可變電容來實(shí)現(xiàn);

除了上面兩種比較成熟的振蕩器外，近來研究比較熱的還有由RTD／MOSFET構(gòu)成的壓控振蕩器。14由RTD／MOSFET構(gòu)成的壓控振蕩器

參數(shù)：RTD的峰值電壓為0．31V，谷值電壓為0．65V，峰值電流為2．3mA，谷值電流為1mA，峰值電流密度為7500A／cm2，電流峰谷比約為2．3：1，該RTD的負(fù)阻IRNl約為262Ω。MOSFET選擇了

耗盡型場效應(yīng)管。當(dāng)VT固定,Vb增大振蕩，周期變小頻率增大。

Vb固定，

VT增大，輸出頻率減小。15由RTD／MOSFET構(gòu)成的壓控振蕩器不同于常規(guī)壓控振蕩器形式和壓控振蕩的調(diào)節(jié)方式，實(shí)現(xiàn)了一種基于負(fù)阻器件共振隧穿二極管與MOSFET結(jié)合的新型壓控振蕩器，雖然電路模擬可得到的頻率變化范圍在440-550MHz，但實(shí)際中整個電路受到MOSFET工作頻率的限制和分立器件寄生參數(shù)影響，實(shí)際測得的頻率只有20-26MHz，而且MOSFET與RTD的工藝制作不兼容，只能進(jìn)行混合集成。如果選擇與RTD工作頻率和工藝都較匹配的高頻、高速器件如高速器件高電子遷移率晶體管(HEMT)、異質(zhì)結(jié)晶體管(HBT)等，這樣不但可以提高電路的工作頻率，而且可以實(shí)現(xiàn)單片集成。這種壓控振蕩電路為RTD與其他高速器件的結(jié)合提供了一種新穎的設(shè)計思路，因此這一研究對于RTD在高頻振蕩電路的進(jìn)一步應(yīng)用具有重要的意義。16其他方面的研究：微帶振蕩電路；多諧振蕩電路；環(huán)形振蕩電路；基于共振隧穿二極管的蔡氏電路設(shè)計研究；介觀壓阻型微壓力傳感器設(shè)計；一種利用共振隧穿二極管簡化電路的分頻器設(shè)計等。17參考文獻(xiàn)：錢博森.負(fù)阻器件負(fù)阻電路及其應(yīng)用[M].天津：天津大學(xué)出版社，1993.JohnMDoyl著，吳志剛譯.脈沖技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：人民郵電出版社，1981:390-415.LinCH，YangK，EastJR，eta1．RingoscillatorusinganRTD—HBTheterostructure[J]．JournaloftheKoreanPhysicalSociety，2001，39(3)：572—575．牛蘋娟，王偉，郭維廉等.由RTD／MOSFET構(gòu)成的壓控振蕩器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].半導(dǎo)體學(xué)報，2007,28（2）：289-293.溫延敦，張文棟．介觀壓阻效應(yīng)[J]．微納電子技術(shù)，2003，7(8)：41--43．王瑞榮，杜康，李孟委等.基于共振隧穿二極管的微機(jī)械陀螺設(shè)計[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2010.5,23（5）:647-650.張慶偉，溫延敦.基于共振隧穿的位移傳感器設(shè)計[J].傳感器與微統(tǒng),2009,28(2):66-67.WangMX,SunCX.LightemissioneffectofdoublebarrierstructureCu-Al2O3-MgF2-Autunneljunction[J].