半导体器件知多少（18）－－－共振隧道二极管
朱（Tsu）和江崎继他们在二十世纪六十年代后期和七十年代初期率先研究超晶格之后，于1973年预报了“共振隧道二极管”（有时称为双势垒二极管）的负微分电阻（NDR）。1974年江等人首次证明了这种二极管的结构和特性 。继1983年索尔钠（Sollner）等人报道了许多改进结果之后，特别是由于MBE和MOCVD技术的成熟，对这种器件的研究兴趣不断增强。1985年，休查克（Shewchuk）等人和楚奇亚（Tsuchiya）等人报道了这种结构在室温下工作的NDR。同时，门德斯（Mendez）等人观测到空穴而不是电子的共振隧穿。
共振隧穿二极管要求导带或价带的能带边缘不连续，以便形成量子阱，于是需要异质外延。所用的最通用材料组合是GaAs/AlGaAs，其次是GaInAs/AlInAs。中等的量子阱厚度，一般在50埃左右，而势垒层在15到50埃范围。不需要对称的势垒层，所以它们的厚度可以不同。阱和势垒层都没有掺杂，而是将它们夹在重掺杂窄能隙材料之间，通常与阱层相同。实例1中靠近势垒层的未掺杂的薄隔离层约15埃的GaAs，该层可确保掺杂剂不会扩散到势垒层。因为需要薄外延层和突变的掺杂分布，多数已报道的研究都是使用分子束外延（MBE）来进行薄膜淀积，不过偶尔也使用MOCVD。其器件隔离，通常是采用台面腐蚀实现。
共振隧穿二极管利用了量子阱中能态的量子化。量子阱机理规定，在宽度为W的量子阱中，可以将导带（或价带）分成独立的子带，每一子带的底部可由数学式给出。注意：其表达式中假设了无限势垒高度，而且只能起定性描述的作用。实际上，势垒（ΔEC）位于0.2－0.5eV范围，因此得出约为0.1eV的（E1－EC）。在偏置条件下，载流子能够经过阱内的能态从一个电极隧穿到另一个电极。而载流子隧穿出阱是较少受限制的，载流子隧穿入阱是电流的决定性机理，这就要求同一能级上有可用的空能态，并保持横向动量守恒。由于量子阱中的垂直动量为零（kx＝0），所以每一子带中载流子的能量由数学式得到。
能进一步表明，对于固定能量的隧穿，最多数量载流子的获得出现在kx＝0时。这意味着要获得最大隧穿电流，发射极EC应该排列在En（EC－En）位置。在较高偏置下，发射极EC稍高于En，同时隧穿电流降低，从而产生NDR。
局部峰值电流（Jp）与谷电流（Jv）之比是NDR的关键测量值。峰值电流主要是由于隧穿产生，这可使用较轻有效质量材料使它达到最大程度。在这种关系中，GaInAs/AlInAs材料组合优于GaAs/AlGaAs。已经观测到最大峰值电流密度为3×105A/cm2，而且完全与温度无关，因为它是隧穿电流。不为零的谷电流，主要是由于势垒内的热电子发射产生，而且它与温度有密切关系（在较低温度下，Jv较小）。另一个很小但有可能的贡献是由于电子隧穿到较高量子化能级。尽管能量高于EF时隧穿能获得的电子数非常少，但有热分布尾随，而且该数值不为零，特别是在量子化能级紧密排在一起时更是如此。
与讨论的一样，每一区域的NDR都与通过一个特殊量子化子带的隧穿有关。观测到施加偏置下的NDR，大概是（En－EC）/q值的两倍，因为在EC对准En时，只有一半偏置是有效的。另外的偏置也扩展到隔离层以及重掺杂材料的积累层和耗尽层，再到未掺杂隔离层。
例如，实例所示的特性对每一极性的电压都有两个区域的NDR。实际上，由于在热电子发射电流大背景下的信号很小，所以很少观测到第二个电流峰值。然而，该例子显示出比被限制到只有一个NDR区域的隧道二极管有潜在优势。这种多电流峰值特点对功能器件特别重要，已在应用一节进一步讨论。
对有同样势垒的结构（，I-V特性是围绕原点为对称。但是，能够把两个势垒作成不同的两种势垒高度（材料）和层厚度，从而得到不对称的I-V特性。
也研究了有两个连续量子阱的三势垒异质结构，能够很容易观测到多个NDR区域。认为第一个电流峰值是由于通过两个阱的第一个量子化能级的隧穿产生，而第二个电流峰值可以归因于通过不同量子化能级的隧穿或随着向下传递的连续隧穿所致。在任何情况下，由于额外势垒（它起滤波作用）的缘故，产生较突变的电流特性（dI/dV）是可能的。也研究了四势垒（三阱）结构的共振隧穿。
多势垒的极端情况是一种由多种交替势垒层和量子阱构成的合成超晶格。大约在共振隧穿二极管出现的同时，也观测了合成超晶格的负阻效应。超晶格的一个主要差别是量子化能级扩展到了窄子带中。在可与第一个子带宽度比较的偏置下，能够观测到第一个电流峰值。一直到该点，电场均匀跨接超晶格。另外的偏置产生高电场区域，可在势垒之一中扩展，从而引起子带对不准。在实例能带图中，当第一个子带与第二个子带对准时，电流再次增加，有高电场区域的势垒数将增加到2。
可供选择的获得多个电流峰值的方法，是串联连接共振隧穿二极管。该结构能够采用重掺杂层隔离的垂直集成双势垒来实现。这种结构实际上与上述多量子阱结构完全不同，因为这里共振隧穿二极管只用相对厚的重掺杂层连接，而在它们之间没有量子力学联系。另一有用特性是，电流峰值几乎处于同一能级。这种特点有利于多值逻辑应用。当电压V被施加到n个共振隧穿二极管时，每一个二极管将近似承受V/n的电压。实际上，这些结构的微小差别都会首先促成它改变成负阻（中断共振）。因为电流必须连续通过所有n个器件，所以最初总电流下降，接着是普通形状的单个二极管。然后，电流随着电压再次上升，直到另外的共振隧穿二极管转变。所以，电流峰值数相当于串联共振隧穿二极管的总数。
由于隧穿固有地不是渡越时间限制的非常快的现象，所以认为共振隧穿二极管是曾经制作过的最快器件。此外，它不会遭遇少数载流子存储。业已证明，用作混频器，它能探测辐射达到2.5THz；而用作振荡器，它能产生700GHz的信号，已设计出最大工作振荡频率超过1THz。另一方面，很难使用隧穿来提供高电流，而且振荡器的输出功率也受到限制。在高速脉冲形成电路和触发电路中，也已使用共振隧穿二极管。已提到的其它应用有：倍频器、谐波发生器及奇偶发生器。多电流峰值的独特特点，能够用来实现由单个器件完成很复杂功能的有用功能器件，然而这种功能器件采用常规设计却会需要很多元件，例如多值逻辑和存储器。共振隧穿二极管也能用作其它三端器件的器件构件块，如共振隧穿双极晶体管和共振隧穿热电子晶体管。业已将它应用到研究热电子光谱学的结构中。
: 科技
