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Diodo de efecto túnel resonante

Un diodo de efecto túnel resonante ( RTD ) es un diodo con una estructura de efecto túnel resonante en la que los electrones pueden atravesar algunos estados resonantes en ciertos niveles de energía. La característica corriente-voltaje a menudo presenta regiones de resistencia diferencial negativa .

Todos los tipos de diodos de efecto túnel utilizan el efecto túnel mecánico cuántico . Una característica de la relación corriente-voltaje de un diodo de efecto túnel es la presencia de una o más regiones de resistencia diferencial negativa, lo que permite muchas aplicaciones únicas. Los diodos de efecto túnel pueden ser muy compactos y también son capaces de funcionar a velocidades ultrarrápidas porque el efecto túnel cuántico a través de las capas muy delgadas es un proceso muy rápido. Un área de investigación activa está dirigida a la construcción de osciladores y dispositivos de conmutación que puedan funcionar a frecuencias de terahercios . [1]

Introducción

Mecanismo de funcionamiento de un dispositivo de diodo de efecto túnel resonante y resistencia diferencial negativa en la característica de salida. Existe una característica de resistencia negativa después del primer pico de corriente, debido a una reducción del primer nivel de energía por debajo del nivel de Fermi de la fuente con polarización de la compuerta. (Izquierda: diagrama de bandas ; Centro: coeficiente de transmisión ; Derecha: características de corriente-voltaje). El comportamiento de resistencia negativa que se muestra en la figura de la derecha es causado por la posición relativa del estado confinado con respecto al nivel de Fermi de la fuente y la banda prohibida .

Un RTD se puede fabricar utilizando muchos tipos diferentes de materiales (como semiconductores III–V, tipo IV, II–VI) y diferentes tipos de estructuras de tunelización resonante, como la unión p–n altamente dopada en diodos Esaki , doble barrera, triple barrera, pozo cuántico o alambre cuántico . La estructura y el proceso de fabricación de los diodos de tunelización interbanda resonantes Si/SiGe son adecuados para la integración con la moderna tecnología de semiconductores de óxido metálico complementarios ( CMOS ) de Si y la tecnología bipolar de heterojunción Si / SiGe .

Un tipo de RTD se forma como una estructura de pozo cuántico único rodeado de barreras de capa muy delgadas. Esta estructura se denomina estructura de doble barrera. Los portadores, como los electrones y los huecos, solo pueden tener valores de energía discretos dentro del pozo cuántico. Cuando se aplica un voltaje a un RTD, se emite una onda de terahercios , por lo que el valor de energía dentro del pozo cuántico es igual al del lado del emisor. A medida que aumenta el voltaje, la onda de terahercios se extingue porque el valor de energía en el pozo cuántico está fuera de la energía del lado del emisor.

Otra característica que se observa en las estructuras RTD es la resistencia negativa al aplicar polarización, como se puede ver en la imagen generada por Nanohub . La formación de resistencia negativa se examinará en detalle en la sección de funcionamiento a continuación.

Esta estructura se puede desarrollar mediante heteroepitaxia de haces moleculares . Para formar esta estructura se utilizan en particular GaAs y AlAs . Se pueden utilizar AlAs/ InGaAs o InAlAs /InGaAs.

El funcionamiento de los circuitos electrónicos que contienen RTD se puede describir mediante un sistema de ecuaciones de Liénard, que son una generalización de la ecuación del oscilador de Van der Pol . [2] [3] [4]

Operación

El siguiente proceso también se ilustra en la figura del lado derecho. Según la cantidad de barreras y la cantidad de estados confinados dentro del pozo, se podría repetir el proceso descrito a continuación.

Región de resistencia positiva

Para un sesgo bajo, a medida que el sesgo aumenta, el primer estado confinado entre las barreras de potencial se acerca al nivel de Fermi de la fuente , por lo que la corriente que transporta aumenta.

Región de resistencia negativa

A medida que aumenta la polarización, el primer estado confinado pierde energía y gradualmente entra en el rango de energía de la banda prohibida, por lo que la corriente que transporta disminuye. En este momento, el segundo estado confinado todavía tiene una energía demasiado alta para conducir una corriente significativa.

2da región de resistencia positiva

De manera similar a la primera región, a medida que el segundo estado confinado se acerca cada vez más al nivel de Fermi fuente, transporta más corriente, lo que hace que la corriente total aumente nuevamente.

Tunelización resonante intrabanda

Un perfil de potencial de doble barrera con una partícula incidente desde la izquierda con energía menor que la altura de la barrera.

En el efecto túnel cuántico a través de una única barrera, el coeficiente de transmisión, o la probabilidad de efecto túnel, es siempre menor que uno (para partículas de energía entrantes menores que la altura de la barrera potencial). Considerando un perfil potencial que contiene dos barreras (que se encuentran cerca una de la otra), se puede calcular el coeficiente de transmisión (como una función de la energía de las partículas entrantes) utilizando cualquiera de los métodos estándar.

El efecto túnel a través de una doble barrera fue resuelto por primera vez en la aproximación de Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB) por David Bohm en 1951, quien señaló que las resonancias en el coeficiente de transmisión ocurren a ciertas energías del electrón incidente. Resulta que, para ciertas energías, el coeficiente de transmisión es igual a uno, es decir, la doble barrera es totalmente transparente para la transmisión de partículas. Este fenómeno se llama efecto túnel resonante. [5] Es interesante que mientras que el coeficiente de transmisión de una barrera de potencial es siempre menor que uno (y disminuye al aumentar la altura y el ancho de la barrera), dos barreras en una fila pueden ser completamente transparentes para ciertas energías de la partícula incidente.

Más tarde, en 1964, LV Iogansen discutió la posibilidad de transmisión resonante de un electrón a través de barreras dobles formadas en cristales semiconductores. [6] A principios de la década de 1970, Tsu , Esaki y Chang calcularon la característica de corriente-voltaje (IV) de dos terminales de una superred finita y predijeron que las resonancias podrían observarse no solo en el coeficiente de transmisión sino también en la característica IV. [7] La ​​tunelización resonante también ocurre en perfiles de potencial con más de dos barreras. Los avances en la técnica MBE llevaron a la observación de conductancia diferencial negativa (NDC) a frecuencias de terahercios, como informaron Sollner et al. a principios de la década de 1980. [8] Esto desencadenó un considerable esfuerzo de investigación para estudiar la tunelización a través de estructuras de múltiples barreras.

Los perfiles de potencial necesarios para la tunelización resonante se pueden realizar en sistemas de semiconductores utilizando heterojunciones que utilizan semiconductores de diferentes tipos para crear barreras o pozos de potencial en la banda de conducción o en la banda de valencia.

Diodos de tunelaje resonantes III-V

Los diodos de efecto túnel resonantes se utilizan normalmente en sistemas de materiales compuestos III-V , donde se utilizan heterojunciones formadas por varios semiconductores compuestos III-V para crear barreras de potencial dobles o múltiples en la banda de conducción o banda de valencia. Se han creado diodos de efecto túnel resonantes III-V de rendimiento razonablemente alto. Dichos dispositivos aún no han entrado en aplicaciones generales porque el procesamiento de materiales III-V es incompatible con la tecnología CMOS de silicio y el coste es elevado.

La mayoría de los semiconductores optoelectrónicos utilizan semiconductores III-V, por lo que es posible combinar RTD III-V para crear circuitos integrados optoelectrónicos (OEICS) que utilizan la resistencia diferencial negativa del RTD para proporcionar ganancia eléctrica a los dispositivos optoelectrónicos. [9] [10] Recientemente, la variabilidad de dispositivo a dispositivo en la característica de corriente-voltaje de un RTD se ha utilizado como una forma de identificar de forma única los dispositivos electrónicos, en lo que se conoce como una función física no clonable de confinamiento cuántico (QC-PUF). [11] El comportamiento de los picos en los RTD se está investigando para la computación neuromórfica óptica . [12]

Diodos de tunelaje resonantes Si/SiGe

Los diodos de tunelización resonantes también se pueden realizar utilizando el sistema de materiales Si/SiGe. Se han observado tanto la tunelización de huecos como la tunelización de electrones. Sin embargo, el rendimiento de los diodos de tunelización resonantes Si/SiGe fue limitado debido a las limitadas discontinuidades de la banda de conducción y la banda de valencia entre las aleaciones de Si y SiGe. La tunelización resonante de huecos a través de heterojunciones Si/SiGe se intentó primero debido a la discontinuidad de la banda de valencia típicamente relativamente mayor en las heterojunciones Si/SiGe que la discontinuidad de la banda de conducción para capas de Si 1−x Ge x deformadas (compresivamente) cultivadas en sustratos de Si. La resistencia diferencial negativa solo se observó a bajas temperaturas, pero no a temperatura ambiente. [13] La tunelización resonante de electrones a través de heterojunciones Si/SiGe se obtuvo más tarde, con una relación de corriente pico-valle (PVCR) limitada de 1,2 a temperatura ambiente. [14] Los desarrollos posteriores han realizado RTD de Si/SiGe (tunelización de electrones) con un PVCR de 2,9 con un PCD de 4,3 kA/cm 2 [15] y un PVCR de 2,43 con un PCD de 282 kA/cm 2 a temperatura ambiente. [16]

Diodos de tunelaje resonantes entre bandas

Los diodos túnel resonantes interbanda (RITD) combinan las estructuras y comportamientos tanto de los diodos túnel resonantes intrabanda (RTD) como de los diodos túnel interbanda convencionales , en los que se producen transiciones electrónicas entre los niveles de energía en los pozos cuánticos en la banda de conducción y en la banda de valencia. [17] [18] Al igual que los diodos túnel resonantes, los diodos túnel resonantes interbanda se pueden realizar en sistemas de materiales III-V y Si/SiGe.

RITD III-V

En el sistema de materiales III-V, se han obtenido RITD InAlAs/InGaAs con relaciones de corriente pico-valle (PVCR) superiores a 70 y tan altas como 144 a temperatura ambiente y RITD basados ​​en Sb con PVCR a temperatura ambiente tan alta como 20. [19] [20] [21] El principal inconveniente de los RITD III-V es el uso de materiales III-V cuyo procesamiento es incompatible con el procesamiento de Si y es costoso.

RITD de Si/SiGe

Estructura típica de un diodo túnel interbanda resonante Si/SiGe
Diagrama de bandas de un diodo túnel interbanda resonante Si/SiGe típico calculado mediante el solucionador Poisson/Schrödinger 1D de Gregory Snider.

En el sistema de materiales Si / SiGe , también se han desarrollado diodos de tunelaje interbanda resonantes Si/SiGe que tienen el potencial de integrarse en la tecnología de circuitos integrados de Si convencional. [22]

Estructura

Los cinco puntos clave del diseño son: (i) una barrera de tunelización intrínseca , (ii) inyectores dopados con delta, (iii) desplazamiento de los planos de dopaje delta desde las interfaces de heterojunción , (iv) crecimiento epitaxial de haz molecular de baja temperatura (LTMBE), y (v) recocido térmico rápido (RTA) posterior al crecimiento para la activación de dopantes y la reducción de la densidad de defectos puntuales. [22]

Actuación

Se necesita un PVCR mínimo de aproximadamente 3 para aplicaciones de circuitos típicos. Los RITD de Si/SiGe de baja densidad de corriente son adecuados para aplicaciones de memoria de bajo consumo, y se necesitan diodos túnel de alta densidad de corriente para aplicaciones digitales/de señal mixta de alta velocidad. Los RITD de Si/SiGe han sido diseñados para tener PVCR a temperatura ambiente de hasta 4,0. [23] La misma estructura fue duplicada por otro grupo de investigación utilizando un sistema MBE diferente , y se han obtenido PVCR de hasta 6,0. [24] En términos de densidad de corriente pico, se han logrado densidades de corriente pico que van desde tan solo 20 mA/cm 2 y tan altas como 218 kA/cm 2 , abarcando siete órdenes de magnitud. [25] Se ha logrado una frecuencia de corte resistiva de 20,2 GHz en un RITD de SiGe definido por fotolitografía seguido de un grabado húmedo para reducir aún más el tamaño del diodo, lo que debería mejorar cuando se fabriquen RITD aún más pequeños utilizando técnicas como la litografía por haz de electrones. [26]

Integración con transistores bipolares de heterojunción y CMOS Si/SiGe

Se ha demostrado la integración de RITD de Si/SiGe con CMOS de Si. [27] También se demostró la integración vertical de RITD de Si/SiGe y transistores bipolares de heterojunción de SiGe, logrando un elemento de circuito de resistencia diferencial negativa de 3 terminales con una relación de corriente pico-valle ajustable. [28] Estos resultados indican que los RITD de Si/SiGe son un candidato prometedor para ser integrados con la tecnología de circuitos integrados de Si.

Otras aplicaciones

Se han demostrado otras aplicaciones de SiGe RITD utilizando circuitos de placa de pruebas, incluida la lógica multiestado. [29]

Referencias

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