共鳴トンネルダイオード （RTD ）は、電子が特定のエネルギー準位にある共鳴状態をトンネル効果によって通過できる共鳴トンネル構造を持つダイオードである。電流 -電圧 特性には 負性微分抵抗 領域が現れる。
トンネルダイオード は、量子力学的トンネル効果 を利用しています。トンネルダイオードの電流-電圧特性の特徴は、1つ以上の負性微分抵抗領域が存在することであり、これにより多くの独自のアプリケーションが可能になります。トンネルダイオードは非常に小型で、超高速動作も可能です。これは、非常に薄い層を通過する量子トンネル効果が非常に高速なプロセスであるためです。活発な研究分野の一つは、テラヘルツ周波数で動作可能な 発振器 やスイッチングデバイスの構築に向けられています。[ 1 ]
手術 以下のプロセスは、右側の図からも理解できます。井戸内部の障壁の数と閉じ込められた状態の数に応じて、以下に説明するプロセスが繰り返される可能性があります。
負の抵抗領域 バイアス電圧がさらに増加すると、第1の閉じ込め状態のエネルギーが低下し、徐々にバンドギャップのエネルギー範囲に入るため、流れる電流が減少します。このとき、第2の閉じ込め状態は依然としてエネルギーが高すぎるため、大きな電流を流すことはできません。
第2の正の抵抗領域 最初の領域と同様に、2番目の閉じ込め状態がソースのフェルミ準位に近づくにつれて、より多くの電流が流れ、総電流が再び増加します。
バンド内共鳴トンネル効果 二重障壁ポテンシャルプロファイル。粒子は左側から入射し、そのエネルギーは障壁の高さよりも小さい。 単一の障壁を介した量子トンネル効果 では、透過係数、すなわちトンネル確率は常に1未満です（入射粒子のエネルギーがポテンシャル障壁の高さよりも小さい場合）。互いに近接した2つの障壁を含むポテンシャルプロファイルを考えると、標準的な方法のいずれかを使用して、透過係数（入射粒子のエネルギーの関数として）を計算することができます。
二重障壁をトンネルする現象は、1951年にデビッド・ボームがウェンツェル・クラマース・ブリルアン（WKB）近似で初めて解決し、特定の入射電子エネルギーで透過係数の共鳴が発生することを指摘しました。特定のエネルギーでは透過係数が1に等しくなり、つまり二重障壁は粒子の透過に対して完全に透明になることがわかりました。この現象は共鳴トンネルと呼ばれます。[ 5 ]
その後、1964年にLV Iogansenは半導体結晶に形成された二重障壁を電子が共鳴透過する可能性について議論した。[ 6 ] Tsu 、Esaki 、Changは 有限超格子の2端子電流-電圧（IV）特性を計算し、 共鳴は透過係数だけでなくIV特性でも観測できると予測した。[ 7 ] [ 8 ]
共鳴トンネルに必要な電位プロファイルは、異なる種類の半導体を用いて伝導帯または価電子帯に電位障壁または電位井戸を形成するヘテロ接合を用いた半導体システムで実現できる。
Si/SiGe材料系を使用して共鳴トンネルダイオードも実現できます。正孔トンネルと電子トンネルの両方が観測されています。しかし、SiとSiGe合金間の伝導帯と価電子帯の不連続性が限られているため、Si/SiGe共鳴トンネルダイオードの性能は制限されていました。Si基板上に成長した（圧縮）歪みSi 1−x Ge x 層の伝導帯の不連続性よりもSi/SiGeヘテロ接合の価電子帯の不連続性が一般的に比較的大きいため、Si/SiGeヘテロ接合を介した正孔の共鳴トンネルが最初に試みられました。負性微分抵抗は低温でのみ観測され、室温では観測されませんでした。[ 13 ] [ 14 ] 2 [ 15 ] 2の Si/SiGe RTD (電子トンネル) が実現しました。 [ 16 ]
バンド間共鳴トンネルダイオード 共鳴インターバンドトンネルダイオード（RITD）は、伝導帯の量子井戸と価電子帯のエネルギー準位の間で電子遷移が起こる、イントラバンド共鳴 トンネルダイオード（RTD）と従来のインターバンド トンネルダイオードの両方の構造と挙動を組み合わせたものです。 [ 17 ] [ 18 ]
III-V RITDs III-V族材料系では、室温でピーク対バレー電流比（PVCR）が70以上、最高で144に達するInAlAs/InGaAs RITDや、室温でPVCRが最高で20に達するSb系RITDが得られている。[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]
Si/SiGe共鳴型インターバンドトンネルダイオードの典型的な構造 バンド図。 Si / SiGe 材料系では、Si / SiGe 共鳴インターバンドトンネルダイオードも開発されており、主流の Si 集積回路技術に統合される可能性を秘めている。[ 22 ]
一般的な回路アプリケーションには、最低でも約 3 の PVCR が必要です。低電流密度 Si/SiGe RITD は低電力メモリ アプリケーションに適しており、高速デジタル/ミックスド シグナル アプリケーションには高電流密度トンネル ダイオードが必要です。Si/SiGe RITD は、室温で最大 4.0 の PVCR を持つように設計されています。[ 23 ] 別の研究グループが異なるMBE システムを使用して同じ構造を複製し、最大 6.0 の PVCR を得ました。[ 24 ] 2から 218 kA/cm 2 までの範囲で、7 桁にわたるピーク電流密度が達成されています。[ 25 ] 電子ビームリソグラフィ などの技術を使用してさらに小さな RITD が製造されると、改善されるはずです。[ 26 ]
Si/SiGe RITDとSi CMOSの統合が実証されている。[ 27 ] [ 28 ] 集積回路 技術との統合の有望な候補であることを示している。
その他の用途 SiGe RITDの他の応用例は、マルチステートロジックを含むブレッドボード回路を使用して実証されている。[ 29 ]
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外部リンク RTDの光電子応用に関する情報については、http://userweb.elec.gla.ac.uk/i/ironside/RTD/RTDOpto.htmlを参照してください。 Nanohub の共鳴トンネルダイオードシミュレーションツールを使用すると、現実的なバイアス条件下で、現実的な拡張デバイスにおける共鳴トンネルダイオードのシミュレーションが可能になります。
