20. Резонансне тунелювання електронів

Функціонування пристроїв на основі надрешіток базуються на резонансному тунелюванні електронів. Період надрешітки (НР) сумірний з довжиною електронної хвилі в кристалі, і тому електрони виявляють хвильові властивості. У поодинокій потенціальній ямі електрон може знаходитись лише на одному з власних рівнів ями, які відповідають резонансу електронної хвилі (як електромагнітної в резонаторі). Ширина потенціальної ями дорівнює nλ/2. Оскільки за кімнатної температури в GaAs λ=20 нм, шар завтовшки 10 нм відповідає цій умові. У двобар'єрній структурі (рис.20а) спостерігається резонансне тунелювання електронів, якщо енергія падаючих електронів зберігається з одним з власних рівнів ями Е₁,₂, коефіцієнт проходження дорівнює одиниці. Амплітуда хвильової функції усередині ями в Q разів збільшується:

Q= Е₁,₂/Δ Е₁,₂,

де ΔЕ – ширина рівня, обумовлена скінченністю життя t електрона на ньому, згідно зі співвідношенням невизначеностей ΔЕ=ħ/t. Електрон затримується в ямі у середньому на час t, за який він багаторазово (Q разів) проходить відстань між бар'єрами в результаті відбивання від них; відповідно в Q разів зростає ймовірність його тунелювання з ями. Хвиля 1, що виходить з ями, контрфазно інтерферує з хвилею 2, відбитою від першого бар'єра, причому амплітуди хвиль однакові. У результаті залишається лише падаюча хвиля і хвиля, що пройшла крізь бар'єр, коефіцієнт проходження дорівнює одиниці.

Мал. №13

Резонансне тунелювання електронів ілюструє залежність коефіцієнта D двобар'єрної структури від енергії електронів. Розширення залежності D(E) при E~E2>E1 пояснюється збільшенням коефіцієнта проходження одного бар'єра.

Розсіювання електронів порушує когерентність електронних хвиль і умови їх інтерференції, що зменшує ймовірність резонансного тунелювання електронів. Ця ймовірність ще більшою мірою залежить від ідентичності площі вхідного та вихідного бар'єрів. Не ідентичність бар'єрів призводить до неоднаковості амплітуд інтерферуючих хвиль, що зменшує амплітуду сумарної хвилі у квантовій ямі і коефіцієнт проходження.

21. Резонансні тунельні діоди

Резонансний тунельний діод — напівпровідниковий елемент електричного кола з нелінійною вольт-амперною характеристикою, в якому використовується тунелювання носії заряду через оточену двома потенціальними бар'єрами потенціальну яму.

Резонансний тунельний діод має ділянку вольт-амперної характеристики з від'ємною диференційною провідністю.

Мал. №14

Від'ємна диференційна провідність — явище зменшення сили струму в нелінійному елементі електричного кола при зростанні напруги. Негативна диференційна провідність може бути зумовленою дуже різними причинами, в залежності від принципу дії елемента електричного кола.

В резонансному тунельному діоді використовується гетероструктура, в якій потенціальна яма для носіїв заряду, наприклад, для електронів, відділена від контактних легованих областей потенціальними бар'єрами. Наприклад, область потенціальної ями може складатися з GaAs, області потенціальних бар'єрів — з Ga1-xAlxAs, зовнішні області — з логованого донорами GaAs.

Через гетероструктуру з високою імовірністю проходять тільки ті електрони, енергія яких співпадає з енергією квантованих рівнів у потенціальній ямі. Електрони з більшою чи меншою енергією через структуру пройти не можуть. При підвищенні прикладеної до гетероструктури напруги енергія електронів у контактному шарі зростає. Коли вона стає рівною енергії квантованого рівня всередині ями, через структуру починає проходити електричний струм. Проте при дальшому підвищенні напруги на діоді електрони набирають більшу енергію й знову не можуть проходити через гетероструктуру — сила струму падає. Як наслідок, виникає область від'ємної диференційної провідності.

Від'ємна диференційна провідність резонансного тунельного діоду застосовується для створення високочастотних генераторів електричних коливань. Частоти таких генераторів можуть досяти терагерцової області.