Un diodo de túnel resonante ( RTD ) es un diodo con una estructura de túnel resonante en la que los electrones pueden atravesar algunos estados resonantes en ciertos niveles de energía. La característica corriente-tensión a menudo presenta regiones de resistencia diferencial negativas .
Todos los tipos de diodos túnel hacen uso de túneles mecánicos cuánticos . Una característica de la relación corriente-voltaje de un diodo túnel es la presencia de una o más regiones de resistencia diferencial negativa, lo que permite muchas aplicaciones únicas. Los diodos de túnel pueden ser muy compactos y también son capaces de funcionar a velocidades ultraaltas porque el efecto de túnel cuántico a través de capas muy delgadas es un proceso muy rápido. Un área de investigación activa está dirigida a construir osciladores y dispositivos de conmutación que puedan funcionar a frecuencias de terahercios . [1]
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 túnel resonantes, como la unión p-n fuertemente dopada en los diodos Esaki , doble barrera, triple barrera, pozo cuántico o cable cuántico . La estructura y el proceso de fabricación de los diodos túnel interbanda resonantes de Si/SiGe son adecuados para la integración con el moderno semiconductor de óxido metálico complementario ( CMOS ) de Si y la tecnología bipolar de heterounión de Si / SiGe .
Un tipo de RTD se forma como una única estructura de pozo cuántico rodeada por barreras de capas muy delgadas. Esta estructura se llama estructura de doble barrera. Los portadores como los electrones y los huecos sólo pueden tener valores de energía discretos dentro del pozo cuántico. Cuando se aplica voltaje a través de un RTD, se emite una onda de terahercios , razón por la cual 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 la energía en el pozo cuántico está fuera de la energía del lado del emisor.
Otra característica observada en las estructuras RTD es la resistencia negativa a la aplicación de polarización, como se puede ver en la imagen generada por Nanohub . La formación de resistencia negativa se examinará en detalle en la sección de operación a continuación.
Esta estructura puede desarrollarse mediante heteroepitaxia de haz molecular . Para formar esta estructura se utiliza especialmente GaAs y AlAs . Se puede 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]
El siguiente proceso también se ilustra en la figura del lado derecho. Dependiendo del número de barreras y del número de estados confinados dentro del pozo, se podría repetir el proceso que se describe a continuación.
Para un sesgo bajo, a medida que aumenta el sesgo, el primer estado confinado entre las barreras potenciales se acerca al nivel de Fermi de origen , por lo que aumenta la corriente que transporta.
A medida que el sesgo aumenta aún más, 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 demasiada energía para conducir una corriente significativa.
Al igual que en la primera región, a medida que el segundo estado confinado se acerca cada vez más al nivel de Fermi de origen, transporta más corriente, lo que hace que la corriente total aumente nuevamente.
En la construcción de túneles cuánticos a través de una única barrera, el coeficiente de transmisión, o la probabilidad de creación de túneles, es siempre menor que uno (para la energía de las partículas entrantes es menor que la altura potencial de la barrera). Considerando un perfil de potencial que contiene dos barreras (que están ubicadas cerca una de la otra), se puede calcular el coeficiente de transmisión (en función de la energía de las partículas entrantes) utilizando cualquiera de los métodos estándar.
La construcción de túneles a través de una doble barrera se resolvió por primera vez mediante la aproximación de Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB) por David Bohm en 1951, quien señaló que las resonancias en el coeficiente de transmisión ocurren con ciertas energías de los electrones incidentes. Resulta que, para determinadas 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 túnel resonante. [5] Es interesante que, si bien el coeficiente de transmisión de una barrera potencial es siempre inferior a uno (y disminuye al aumentar la altura y el ancho de la barrera), dos barreras seguidas pueden ser completamente transparentes para ciertas energías de la partícula incidente.
Posteriormente, en 1964, LV Iogansen discutió la posibilidad de la 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 corriente-voltaje (IV) de dos terminales de una superred finita y predijeron que se podrían observar resonancias no solo en el coeficiente de transmisión sino también en la característica IV. [7] La tunelización resonante también se produce en perfiles potenciales con más de dos barreras. Los avances en la técnica MBE llevaron a la observación de conductancia diferencial negativa (NDC) en frecuencias de terahercios, como informaron Sollner et al. a principios de los años 1980. [8] Esto desencadenó un considerable esfuerzo de investigación para estudiar la construcción de túneles a través de estructuras de barreras múltiples.
Los perfiles potenciales requeridos para la tunelización resonante se pueden realizar en un sistema semiconductor utilizando heterouniones que utilizan semiconductores de diferentes tipos para crear barreras o pozos potenciales en la banda de conducción o la banda de valencia.
Los diodos de efecto túnel resonantes se realizan típicamente en sistemas de materiales compuestos III-V , donde se utilizan heterouniones 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 realizado diodos túnel resonantes III-V de rendimiento razonablemente alto. Estos dispositivos aún no han entrado en aplicaciones convencionales porque el procesamiento de materiales III-V es incompatible con la tecnología Si CMOS y el costo es alto.
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 dispositivos electrónicos, en lo que se conoce como función física no clonable de confinamiento cuántico (QC-PUF). . [11] Se está investigando el comportamiento de picos en RTD para la computación neuromórfica óptica . [12]
Los diodos túnel resonantes también se pueden realizar utilizando el sistema de materiales Si/SiGe. Se han observado tanto túneles de huecos como túneles de electrones. Sin embargo, el rendimiento de los diodos túnel resonantes de Si/SiGe fue limitado debido a las discontinuidades limitadas de la banda de conducción y de la banda de valencia entre las aleaciones de Si y SiGe. Primero se intentó la tunelización resonante de orificios a través de heterouniones Si/SiGe debido a la discontinuidad de la banda de valencia típicamente relativamente mayor en las heterouniones Si/SiGe que la discontinuidad de la banda de conducción para capas de Si 1-x Ge x tensas (compresivamente) cultivadas sobre sustratos de Si. Sólo se observó resistencia diferencial negativa a bajas temperaturas pero no a temperatura ambiente. [13] Posteriormente se obtuvo el efecto túnel resonante de electrones a través de heterouniones Si/SiGe, con una relación de corriente pico-valle (PVCR) limitada de 1,2 a temperatura ambiente. [14] Desarrollos posteriores han realizado RTD (tunelización de electrones) de Si/SiGe 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. [dieciséis]
Los diodos túnel resonantes entre bandas (RITD) combinan las estructuras y comportamientos de los diodos túnel resonantes (RTD) intrabanda y 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 túneles resonantes, los diodos túneles interbandas resonantes se pueden realizar tanto en los sistemas de materiales III-V como en Si/SiGe.
En el sistema de materiales III-V, se han obtenido RITD de InAlAs/InGaAs con relaciones de corriente pico a valle (PVCR) superiores a 70 y tan altas como 144 a temperatura ambiente y RITD basados en Sb con PVCR a temperatura ambiente de hasta 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.
En el sistema de materiales Si / SiGe , también se han desarrollado diodos túnel interbanda resonantes de Si/SiGe que tienen el potencial de integrarse en la tecnología principal de circuitos integrados de Si. [22]
Los cinco puntos clave del diseño son: (i) una barrera de túnel intrínseca , (ii) inyectores dopados delta, (iii) desplazamiento de los planos de dopaje delta de las interfaces de heterounión , (iv) crecimiento epitaxial del 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 los defectos puntuales. [22]
Se necesita un PVCR mínimo de aproximadamente 3 para aplicaciones de circuitos típicas. Los RITD de Si/SiGe de baja densidad de corriente son adecuados para aplicaciones de memoria de baja potencia, y se necesitan diodos de túnel de alta densidad de corriente para aplicaciones de señal mixta/digital de alta velocidad. Los RITD de Si/SiGe han sido diseñados para tener PVCR a temperatura ambiente de hasta 4,0. [23] Otro grupo de investigación duplicó la misma estructura utilizando un sistema MBE diferente , y se obtuvieron PVCR de hasta 6,0. [24] En términos de densidad de corriente máxima, se han logrado densidades de corriente máxima que van desde 20 mA/cm 2 hasta 218 kA/cm 2 , abarcando siete órdenes de magnitud. [25] Se ha logrado una frecuencia de corte resistiva de 20,2 GHz en fotolitografía definida por SiGe RITD seguida de grabado húmedo para reducir aún más el tamaño del diodo, lo que debería poder mejorar cuando se fabrican RITD aún más pequeños utilizando técnicas como la litografía por haz de electrones. . [26]
Se ha demostrado la integración de RITD de Si/SiGe con Si CMOS. [27] También se demostró la integración vertical de transistores bipolares de heterounión Si/SiGe RITD y SiGe, realizando un elemento de circuito de resistencia diferencial negativa de 3 terminales con relación de corriente pico a valle ajustable. [28] Estos resultados indican que los RITD de Si/SiGe son un candidato prometedor para integrarse con la tecnología de circuitos integrados de Si.
Se han demostrado otras aplicaciones de SiGe RITD utilizando circuitos de placa de pruebas, incluida la lógica de múltiples estados. [29]