《涨知识啦25》---共振隧穿二极管的工作原理及应用

共振隧穿二极管(Resonant tunneling diode)是一种纳米量子电子器件。利用超晶格中能带不连续的特点(energy discontinuity)，势阱层中可产生量子效应，即载流子输运区域中可产生能级分立的量子态(quantized states)。以电子输运过程为例，当电子发射端(emitter)的导带能级与超晶格势阱中的某个子带位于相同能量位置时，电子则以带内隧穿(intra-band tunneling)的方式通过超晶格中的势垒层，并占据势阱中的该子能级(energy sub-band)，最终到达收集层（collector），实现电子输运的全过程。因此共振隧穿二极管有如下特点：（1）根据载流子的能级不同，对载流子的输运具有选择性[如图1所示]，(2)负微分电阻效应[如图二所示]。
负微分电阻效应源于共振隧穿二极管对携带不同能量的载流子输运的选择性；鉴于该特征，共振隧穿效应被广泛应用到量子光电器件中，如GaN基多量子阱发光二极管可采用超晶格AlGaN/GaN 架构的p-型电子阻挡层；通过适当调控超晶格势阱中的子带能级和子带个数，实现电子和空穴的高效输运，即减小电子的泄露(electron leakage)，增加空穴的隧穿几率，最终实现外量子效率的提升，并降低效率衰减(efficiency droop)。

图1 电子透射系数与电子能量之间的关系。当电子的能量与势阱中某一个量子态能级处于同一能量位置的时候，电子透射系数到达峰值，且电子输运效率最高；否则电子输运效率降低，则将出现负微分电阻效应。

图2 不同外加偏压状态下共振隧穿二极管的能带图及对应的电流-电压关系图。

参考文献：S. M. Sze and Kwok K. Ng, Physic of Semiconductor Devices, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2007.

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