Резонансно-туннельные структуры

Резонансно-туннельными структурами называют совокупность полупроводниковых слоев, разделенных туннельными барьерами, где хотя бы один из слоев представляет собой квантовую яму.

Рассмотрим в качестве резонансно-туннельной структуры двухбарьерную гетероструктуру и попробуем качественно разобраться с понятием данного явления. Приложим к нашей структуре (см. рис. 4) положительное напряжение смещения. Дискретность энергетического спектра в яме, образованной туннельными барьерами, приводит к тому, что туннелирование через левый барьер возможно лишь тогда, когда какой-нибудь из заполненных уровней, например уровень E01 совпадает с каким-нибудь из уровней в яме - E02. Обращение тока в нуль означает, что значения E01 и E02 (при увеличении V) уже не совпадают, и ток начинает падать. Другими словами на ВАХ есть участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Рис. 4: Энергетическая диаграмма двухбарьерной гетероструктуры

На величину туннельного тока будет влиять прозрачность барьера T(pz). При туннелировании будут сохраняться энергия и параллельная барьеру компонента импульса, откуда следует, что T(pz)~δ(pz²/2m+eV-E02). Но на практике еще нужно помнить о конечности времени жизни в яме τ за счет рассеяния на фононах, примесях, электрон-электронного взаимодействия и т. д. Это приводит к конечной ширине уровней в яме и поэтому резонансный пик на ВАХ будет уширен.

Однобарьерные структуры

Структура с одним туннельным барьером может быть представлена эквивалентной схемой, изображенной на рис. 5, а. Ее основными элементами являются емкость образованного диэлектриком конденсатора C_t и туннельное сопротивление R_t, которое характеризует туннельный переход в отсутствие зарядовых эффектов. Емкость С_е для подводящих электродов и источника напряжения является эквивалентной и учитывает изменение их заряда при протекании электрического тока. Изменение электростатической энергии при туннелировании одного электрона равно разности запасенной в конденсаторе энергии и работы, выполненной источником питания

,

где С=C_t+C_e.

Туннелирование энергетически выгодно только в том случае, когда Е0, что (с учетом возможности туннелирования как при прямом, так и при обратном смещении) приводит к выражению для порогового напряжения |V_t|=е/2С. Величину е²/2С называют кулоновским зазором (Coulomb gap).

Вольт-амперная характеристика однобарьерной структуры показана на рис.5, б. Электрический ток в такой структуре появляется только при ее смещении напряжением выше порогового. На «открытом» участке вольт-амперной характеристики ток определяется величиной туннельного сопротивления R_t. Связанные с одноэлектронным туннелированием осцилляции напряжения изменяют его величину на ±е/2С и происходят с частотой f=I/е, где I – протекающий через структуру электрический ток.

Рис. 5. Эквивалентная схема (а) и вольт-амперная характеристика (б) однобарьерной структуры

Экспериментальное наблюдение рассмотренных закономерностей возможно только при условии, что энергия тепловых флуктуации мала по сравнению с энергией перезарядки конденсатора одним электроном. Это требует выполнения условия k_BТ<<е²/2С, согласно которому при температуре 4 К величина емкости туннельного барьера должна быть менее 10^-16 Ф, что возможно только в наноразмерных структурах. Из их числа наиболее подходящими для этого являются квантовые точки. Кроме того, надо иметь в виду, что для проявления эффектов, связанных с одноэлектронным туннелированием в условиях кулоновской блокады, необходимо выполнение условия R_t>h/e². Это требуется для подавления квантовых флуктуации числа электронов в квантовой точке, через которую происходит одноэлектронное туннелирование. Другими словами, флуктуации должны быть достаточно малы для изменения локализованного в квантовой точке заряда.