半导体器件知多少（22）－－－单势垒带间隧穿二极管

    1981年江崎等人首先提出InAs/AlSb/GaSb组合的独特多型异质结构，这种结构与异质外延兼容，而且具有能够给出负微分电阻（NDR）的适当能带分布。高冈（Takaoka）等人是实验研究这种结构的第一批人员。他们观测到的特性与隧穿现象一致，但是由于他们的势垒层较厚而未能得到NDR。1989年罗（Luo）等人首次实现低温下的NDR ，接着1990年贝雷斯福德（Beresford）等人和陈（Chen）等人也介绍了室温下NDR的相关数据。

    “单势垒（SB）带间隧穿二极管”试验结构为台面结构。由于相关能带排列和与异质外延兼容性的要求，迄今唯一可用的材料组合是InAs/AlSb/GaSb系统，常常称为“多型异质结”。由于SlSb势垒层厚度要求严格（其厚度在8到70埃范围），该结构通常采用MBE生长。外层的厚度不是关键因素，其厚度通常在几千埃。中间势垒层是本征层，而将GaSb和InAs层分别掺杂到或自然生长到p型和n型。与常规隧道二极管的差别是，在结附近，简并高浓度掺杂是不必要的。

    在其典型I-V特性中，正偏置是在p型GaSb相对于n型InAs为正时得到的。与这种器件有关的NDR现象，是由于两个外电极的独特能带排列，在能带排列中平衡状态下GaSb价带的最大E_V高于InAs导带的最小E_C。这种情形有时叫做“能带重叠”或“中断能隙”，而把这种结称为“Ⅲ型或中断能隙异质结”。对于这种材料系统，GaSb的E_V大约处在InAs的E_C之上0.15eV。

    其负微分电阻的起因，可借助偏置下的能带图来了解。在低正偏置下，电子从InAs的导带隧穿到GaSb的价带的空态。这种情况只有在能带重叠存在时才发生。在较高偏置下， 来自InAs的电子在能量上排列到GaSb的能隙内，所以没有可用的能隧穿达到的能态。当InAs的E_C增加到GaSb的E_V以上时，这种情况就开始出现。进一步增加偏置电压，将引起电子隧穿电流减小，而且这就是产生NDR的原因。在此偏置范围内，残余电流是由于空穴从GaSb的价带隧穿到InAs的价带之故。在较高偏置下，这种空穴隧穿电流将进一步增加，并变成为福勒-诺德海姆（Fowler-Nordheim）隧穿。最后，总电流随着偏置再次增加，而NDR消失。NDR产生的偏置电压大约为0.2V。

    单势垒带间隧穿二极管仍然处于研究阶段，因为迄今所观测到的峰-谷电流比（PVCR）有限，它在室温下小于10比1。与常规的p^＋-n^＋隧道二极管比较，这种器件的优点是，它不需要很难控制的突变简并结，但是必须付出使用MBE生长技术的代价。