Тема 12. Тунелювання носіїв заряду через потенціальні бар’єри.

Тунелювання електронів через потенціальний бар’єр – типовий вияв його хвильових властивостей. В низько розмірних структурах якище має ряд особливостей, пов’язаних з дискретністю перенесеного електроном заряду та додатковим квантуванням енергетичних станів, зумовленого квантовим обмеженням. Ці особливості проявляються в одно електронному тунелю ванні і в резонансному тунелюванні.

Одноелектронне тунелювання

В провіднику струм зумовлений рухом електронів. Хоча заряд електор. дискретний, однак загальний заряд переноситься неперервно, оскільки визначається сумою зміщень всіх електронів відносно іонів. Ці зміщення можуть бути довільно малі.

В структурі з двох провідників, розділених тонким діелектриком, електричний заряд переноситься комбіновано: неперервно в провіднику і дискретно через діелектрик.

Схематично подібно до відриву краплини води. Початково границя напівпровідника – діелектрика електронейтральна. При подачі наруги заряд накопичується на границі. Якщо величина заряду достатня для відриву і тунелювання одного електрону, то після тунелювання система повертається в початковий стан.

Структуру з одним тунельним бар’єром можна представити у вигляді еквівалентної схеми, де – ємність утвореного діелектриком конденсатора, – тунельний опір.

В результаті тунелювання одного електрону.

Зміна енергії конденсатора:

де - характеристична одно електронна зарядова енергія (енергія зарядженого одним електроном тіла з ємністю ). Тунелювання електронів може відбуватися, коли енергія системи буде зменшуватися , тобто система перейде в стан з меншою енергією. Цю умову можна записати як . Це явище називається кулонівською блокадою. Зміну енергії при тунелю ванні можна записати як різницю енергії конденсатора і роботою джерела живлення . При отримаємо вираз для порогової напруги: , яка спостерігається на ВАХ такої структури.

Спостереження одно електронних зарядових ефектів можливе при температурах (що виключити вплив теплових флуктуацій (гелієві температури)). Інший підхід – зменшити , що можливо лише для квантових точок.

Структури з двома тунельними бар’єрами.

Еквівалентна схема:

Сама структура: це квантова точка між двома провідними електродами, яка має ємність і ємнісний зв'язок з електродами.

За рахунок квантування енергії в квантовій точці рівень Фермі може відрізнятись від рівнів Фермі у провідниках на величину , кратну . Це призводить до асиметрії ВАХ таких структур. Дискретність енергетичних станів електронів в острівці зумовлена тим, що зміна заряду може відбуватися тільки дискретно з приходом чи вибуттям одного електрону. . Електрон, який тунелював у квантову точку з лівого електроду індукує поляризаційний заряд на правому бар’єрі. Щоб його перебороти і пройти кулонівську блокаду, зовнішня напруга повинна бути , що приводить до асиметрії ВАХ.

У випадку, коли бар’єри будуть неідентичні (різна прозорість тунельних бар’єрів), ВАХ набуває специфічної східчастої форми – таку характеристику називають кулонівськими сходинками. Це відбувається внаслідок відмінності швидкостей тунелювання (заряд електрона в може перебувати довше, перш ніж перейде в інший електрод). Накопичення заряду на стоковому бар’єрі зумовлює спад напруги, що формує сходинку на ВАХ. Наступні сходинки будуть формуватись при напругах, які забезпечують більшу кількість електронів, які можуть одночасно перебувати в Тобто кожна сходинка відповідає зміні заряду , а по напрузі , де .

Одноелектронні приладу – транзистор.

Двобар’єрні структури, які передбачають можливість керування їх властивостями шляхом впливу на електронні стани в та електродах використовуються в одно електронних транзисторах.

Вістря емітера і колектора та острівцевий електрод виготовлені в Al. Термічне окислення Al вістря забезпечує тонку діелектричну плівку , яка забезпечує потенціальні бар’єри з ємністю та тунельними опорами . Затвор «ємнісним» способом з’єднаний із острівцем . Напруга на затворі .

Умова кулонівської блокади в тунельному контакті 1:

де

Умова кулонівської блокади тунелювання в контакті 2:

В заштрихованій області кулонівська блокада не дозволяє тунелювання. Збільшення напруги на затворі дозволяє тунелювання, а значить прходить струм. При збільшенні напруги на затворі провідність буде змінюватись періодично. Це явище називається кулонівськими осциляціями. Східчаста зміна кулькості електронів на острівці відповідає максимумам провідності структури.

Обмеження одноелектронних пристроїв:

1. Робоча температура обмежена областю низьких температур. Щоб вони працювали при кфмнатних, розміри мають становити <<10 нм.

2. ОЕТ високий вихідний опір через високий опір тунельних переходів > (25,8 кОм)

3. Напруга витік-сток (емітер-колектор) для ОЕТ має бути менша, ніж напруга затвору для надійного контролю роботи приладу

4. Характеристики ОЕТ залежать від неконтрольованих зарядів поблизу острівця - . Заряд поляризує острівець і змінює умови кулонівської блокди.

Експеремент Фултона і Долана

Резонансне тунелювання.

Тунелювання електронів в низько вимірній структурі визначається не тільки характеристиками потенціальних бар’єрів, але й дозволеними енергетичними станами в структурі.

В низько розмірній структурі, обмеженій двома потенціальними бар’єрами, спостерігається різке зростання тунельного струму при спів падінні рівня Фермі в емітері з дискретними рівнями в низько вимірній структурі. Це явище називається резонансним тунелюванням. Воно приводить до появи ВАХ ділянки з від’ємним диференціальним опором, що використовується В НВЧ генераторах.

Типовими структурами для спостереження ефекту резонансного тунелювання є квантоів колодязі.

В квантовій структурі дискретні рівні енергії визначаються розміром структури: . Коли зовнішньої напруги немає, то вище, ніж рівень Фермі в електродах, тунельний струм близький до нуля. Коли прикласти напругу , то енергетичні рівні викривляються і рівень в низько вимірній структурі понижується; починає зростати тунельний струм, який стає максимальний при спів падінні рівня Фермі в емітері з (електрони тунелюють із збереженням своєї енергії та імпульсу). Завдяки цьому електрони не затримуються в квантовій ямі і переходять в колектор. Відбувається резонансне проходження електронів через колодязь за напруги (для симетричних бар’єрів)

При подальшому зниженні рівня електрони не можуть тунелю вати із збереженням енергії та імпульсу. Вони затримуються у квантовій ямі і струм через структуру зменшується, створюючи ділянку з від’ємним диференціальним опором на ВАХ. Подальше збільшення напруги приводить до зростання надбар’єрної термічно активованої емісії електронів і росту струму через структуру.

Прилади на резонансному тунелюванні.

Явище дозволяє створювати діоди і транзистори, які працюють з часами переключення – одиниці чи деякі долі наносекунди (ТГц).

Резонансно-тунельний діод – періодична структура з послідовних квантових колодязів. Особливість – наявність від’ємного диференціального опору.

Додавання керуючого електроду створює резонансно-тунельний транзистор. Потенціал, який подається на додатковий електрод, зміщує ВАХ вздовж осі струму.

Конструктивно резонансно-тунельні прилади виконуються у вигляді надграток.