Резонансно-туннельный диод

В резонансно-туннельном диоде используется гетероструктура, в которой потенциальная яма для носителей заряда, например, для электронов, отделена от контактных легированных областей потенциальными барьерами. Например, область потенциальной ямы может быть выполнена из GaAs, области потенциальных барьеров — из Ga_1-xAl_xAs, внешние области — из легированного донорами GaAs. Зависимость потенциальной энергии от координаты вида контакт—барьер—яма—барьер—контакт создается соответствующим профилем энергии края зоны проводимости ${\displaystyle E_{c}(x)}$. Скачки ${\displaystyle E_{c}}$ имеют место на стыках материалов.

Анимация, иллюстрирующая принцип функционирования РТД. Слева: трансформация энергетической зонной диаграммы гетероструктуры при изменении напряжения (черная линия: профиль ${\displaystyle E_{c}(x)}$, красные — уровни в яме, голубые — верхняя граница заполненных электронами состояний). В середине: зависимость вероятности туннелирования от энергии (энергия здесь отложена по вертикали и соответствует энергиям на диаграмме слева. Справа — вольт-амперная характеристика РТД.

Через гетероструктуру РТД с высокой вероятностью проходят только те электроны, энергии которых приблизительно совпадают с энергиями квантованных уровней в потенциальной яме. Эта вероятность значительно превышает произведение вероятностей прохождения ${\displaystyle T_{1}}$, ${\displaystyle T_{2}}$ через индивидуальные барьеры и может быть близкой к единице. Электроны с большей или меньшей энергией проходят через структуру с крайне низкой вероятностью ${\displaystyle T_{1}T_{2}}$.

Основная часть электронов в эмиттирующем контакте расположена энергетически близко к краю зоны проводимости в этой области. При нулевом напряжении этот край обычно лежит ниже, чем даже первый уровень ${\displaystyle E_{1}}$ ямы. Однако с повышением приложенного к гетероструктуре напряжения происходит деформация профиля ${\displaystyle E_{c}(x)}$ и, когда энергия электронов в эмиттере становится близкой к энергии квантованного уровня внутри ямы, электрический ток через структуру резко увеличивается. Однако при дальнейшем повышении напряжения на диоде электроны эмиттера оказываются выше, чем уровень, по энергии и вероятность их сквозного прохождения снова становится низкой — сила тока через гетероструктуру падает. Как следствие, возникает область отрицательной дифференциальной проводимости. При наличии нескольких уровней (${\displaystyle E_{2}}$, ${\displaystyle E_{3}}$ и т.д.) резонансное прохождение электронов возможно, соответственно, при нескольких напряжениях, но чаще всего используется только первый уровень.

Отрицательная дифференциальная проводимость резонансно-туннельного диода применяется для создания высокочастотных генераторов электрических колебаний. Частоты таких генераторов могут достигать терагерцового диапазона.

• Диод
• Туннельный диод