半导体器件知多少（21）－－－单势垒隧道二极管
早在1966年，埃萨基（Esaki）和斯泰尔斯（Stiles）就提出并证明了由隧穿单势垒（SB）实现负微分电阻的可能性。他们的早期工作是基于金属-绝缘体-半导体（MIS）隧道结。1969年江（Chang）和摩尔（Moore）介绍了这种结构的更详细分析情况。1977年塞-哈拉斯（Sai-Halasz）等人对基于半导体异质结构的设想结构分析了类似电特性 ，继后赫尔曼斯（Hermans）等人、邱（Chow）和麦吉尔（McGill）及邦尼福伊（Bonnefoi）等人都对此作过研究。继这些理论工作之后，紧接着及时得到邱（Chow）等人（1988年）和穆内卡塔（Munekata）等人都在极低温度下的实验验证。随后，贝雷斯福德（Beresford）等人和1989年索德斯特罗姆（Soderstrom）等人又获得了室温下的数据。
除二十世纪八十年代以前的初期工作以外，这种现象的多数数据（或全部）都是基于外延异质结构。这种器件的关键参数是势垒层的价带边缘（EV）与注入层的导带边缘（EC）的相关能量。没有太多可满足上述能带调整标准和有适当晶格失配的异质结的选择。除这种InAs/AlGaSb/InAs异质结以外，已证明还有其它的异质结构，如HgCdTe/CdTe/HgCdTe和InGaAs/AlAsSb/InGaAs。其中最关键的结构层是中间本征势垒层，其厚度一般在15到20纳米范围。势垒层太厚将限制隧穿电流量；势垒层太薄将不能维持势垒层必要电压降。由于这样的原因，便采用MBE生长结构，以便精确控制厚度。其独特特点是，由于是p＋-n＋隧道二极管的情况，其掺杂突变很难控制，所以在结附近不需要超高浓度掺杂。
在单势垒隧道二极管的一般I-V特性中，因为其结构（在正常工作状态时）是对称的，所以I-V曲线在两种偏置极性下都有NDR。这不同于MIS的情况，在MIS中只有电子从n＋半导体注入到隧道的极性才有负阻。负阻的起因源自势垒层内虚波矢k的形状。隧穿电流是（1）临近势垒的各电极电子占有率的差和（2）通过势垒的隧穿几率Tt之乘积，可由数学式得出。
在低偏置下，因为费米能级接近于势垒层的价带，所以虚波矢k很小，而且由于电子占有率的不同，电流将随电压增加。在较高偏置下，势垒层的两边之间有电压降，因此隧穿电子会遇到虚波矢k变成与势垒层内的距离有关。在合适偏置下，与占有率之差的增加相比，根据表达方程得到的隧穿几率能够很迅速减小，从而引起电流随电压纯粹减小。这样就产生了NDR，对于InAs/AlGaSb/InAs异质结构，它大约产生在0.3V的偏置下。根据这种定性解释，可见注入电极的费米能级必须处于势垒层中能隙的较低部位内。这就是为什么Ⅱ型异质结能很容易满足规范的原因。随着偏置进一步增加，虚波矢k几乎变成为常数，然后开始减小，从而引起隧穿几率和电流在负阻区以后再次增加。
因为重要的因素是要扩展势垒层内偏置的多数载流子，所以临近势垒的一些外层必须适当进行高浓度掺杂，尽管不必简并它们。已发表的实验结果使用掺杂浓度为1016/cm3和以上。另一也很重要的因素是必须使可能影响隧穿电流的势垒内的任何热电子发射电流及其相关NDR效应降低到最低限度。
与有两层势垒层的共振隧道二极管比较，SB隧道二极管有更简单的结构，所以可能更容易控制。另一方面，所报道的峰-谷电流比不高，在室温下不到2比1。在p＋-n＋隧道二极管中，消除突变重掺杂结是有利的。SB隧道二极管还没有发展到商品化阶段，主要原因是其峰-谷比有限。
