谐振隧穿二极管

谐振隧穿二极管(Resonant tunneling diode, RTD)是利用电子在某些能级能够谐振隧穿而导通的二极管。其电流电压特性常显示出负阻特性。

简介谐振隧穿二极管(Resonant tunneling diode, RTD)是利用电子在某些能级能够谐振隧穿而导通的二极管。其电流电压特性常显示出负阻特性。

所有的隧道二极管(Tunnel diode)都是利用量子隧穿效应工作的。它们大多具有负阻的电流电压特性,用于高速电子器件，因为隧穿薄层的时间很短，比如振荡器。最高工作频率可达THz.

谐振隧穿二极管可以使用多种材料制造（比如III-V族，IV族或II-IV族半导体）和多种不同谐振隧穿结构（比如重掺杂PN结,双势垒，三势垒，势阱）。

其中一种由两层薄层中间的单个势阱构成，称为双势垒结构。载流子在势阱中间只能有分立的电子能级。当谐振隧穿二极管两边加偏压的时候，随着第一能级接近费米能级，电流逐渐增加。当第一能级低于并远离费米能级的时候，电流开始下降，出现负阻特性。当第二能级下降接近费米能级的时候，电流再次增加。该结果如下图所示，该图使用NanoHUB得到。

该结构可以使用分子束外延生长，常见材料组合有GaAs/AlAs和InAlAs/InGaAs。1

工作原理取决于材料和有多少个势垒，束缚能级的数量可能有一个或多个，当束缚能级较多时，下述过程可能会重复。

正电阻区在低偏压时，当第一束缚能级（能量最低的那一个）靠近费米能级时，通过该束缚能级的电流增加 ，从而总电流增加。

负电阻区随着偏压进一步增加，第一束缚能级已经低于费米能级。偏压继续增加时该能级对应的能量已接近发射极（源极）的禁带，因此该能级传导的电流减小，总电流减小。

第二正电阻区随着偏压进一步增加，第二束缚能级也靠近费米能级，其传导的电流也开始增加，导致总电流再次增加。1

RTD的重要应用1970年初Esaki等即已经观察到并利用了谐振隧穿效应。但由于谐振下的隧穿电流密度较低等原因而一直未得到很好的应用。直到1980年代才在微电子-纳米电子器件中得到了较好的应用。

RTD的重要应用有如：①构成电子“选模器”；②构成谐振隧穿晶体管（RTT）和单电子晶体管（SET）；③与其他器件组成具有特殊性能的器件（如与HEMT组成三进制编码器的A/D变换器，在相同功率情况下，其速度要比GaAs-MESFET或耗尽型的CMOS近于快一倍）；④存储器件、发光器件等；⑤构成双势垒量子阱可变电抗器。这是异质结构势垒可变电抗器的一种，它具有对称的C-V特性和反对称的I-V特性，可获得高频的高次谐波，是一种很有前途的mm波和亚mm波信号源。2

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所