ساختارهای تونلینگ

ساختارهای تونلینگ – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

فصل ۱۸

ساختارهای تونلینگ

۱۸٫۱ تونلینگ در ساختارهای اتصال اهمی

نرخ تلاش حامل­ها در یک نیمه هادی

محاسبه نرخ موفقیت با استفاده از تقریب WKB

محاسبه مشخصه­های جریان در مقابل ولتاژ

مقاومت اتصال

ساختارهای تونلینگ

۱۸٫۲ تونلینگ در ساختارهای نیمه­هادی­ اکسید فلزی

اصول و قواعد مشابه بالا اما در ضخامت نازک اکسید نظیر ۱۰A ، جریان تونلینگ ۱۰ A/cm2 است- با Ellis یا Don Monroe چک شود.

۱۸٫۳ ساختارهای تونل زدن رزونانسی

ساختارهای تونل زدن رزونانسی (RTS) شامل دو سد تونلینگ و یک لایه چاه کوانتوم مابین سدها    می­باشد. جریان از یک الکترود که بنام امیتر[۱] شناخته می­شود، در سرتاسر ساختار سد دوتایی به سمت الکترود دریافت­کننده که بنام کالکتور[۲] شناخته میشود، شارش می­یابد. امیتر و کالکتور آلایش (دوپینگ) میشوند تا حامل­های بار برای انتقال را فراهم آورند . ساختارهای تونلینگ رزونانسی معمولا از نوع n می­باشند و این بدلیل انرژی­های کوانتوم بزرگتر قابل حصول با الکترون­های سبک­تر در مقایسه با سوراخ­های سنگین­تر است.

لایه چاه کوانتوم به اندازه کافی نازک بوده تا اینکه تنها یک یا دو حالت کوانتومی شده در چاه اتفاق بیافتد. سدهای تونلینگ نیز به اندازه کافی اینگونه هستند بنابراین احتمال تونلینگ درسراسر یکی از سدها به اندازه کافی بزرگ بوده تا چگالی جریان با بزرگی قابل قبولی را در محدوده A/cm²  تا kA/cm² را انتقال دهد. هنگامیکه یک بایاس به RTS اعمال می­شود، انرژی حالت کوانتوم در چاه مرکزی تغییر می­نماید و در برخی ازبایاس ها،  حالت کوانتوم با الکترون­های پرتاب­شده  از امیتر، در رزونانس قرار می­گیرد.

فرض کنید که RTS به گونه‌ای بایاس شده است که امیتر[۳] با حالت کوانتومی موجود در چاه کوانتومی در رزونانس است. در این حالت حامل‌ها می‌بایست تنها از میان مرز اول تونل بزنند تا به حالت مجاز برسند. احتمال تونل زدن به راحتی با تخمین WKB قابل محاسبه است. به‌یاد آورید که احتمال تونل زدن چنین محاسبه می‌شود:

رابطه    ۱۸٫۱                   

که در آن L_B ضخامت مرز تونل است. تمامی حاملین که از درون مرز اول تونل می‌زنند و به چاه می‌رسند در نهایت از چاه فرار کرده، مرز دوم را نیز عبور می‌کنند تا به حالت‌های انرژی پایین‌تر کلکتور برسند.

[۱] Emitter

[۲] Collector

[۳]– emitter

ساختارهای تونلینگ

افت پتانسیل در یک ساختار تونل رزونانسی

عوامل متعددی در افت پتانسیل در ساختار‌های تونل رزونانسی دخیل هستند. فرض کنید یک RTS تحت یک بایاس قرار داشته و یک افت پتانسیل در ناحیه مقاومتی (ناحیه‌ای دو مرزی) رخ دهد. اختلاف پتانسیل‌ها در شکل ۱۸٫۲ نشان داده شده است.

با اعمال بایاس بر ساختار یک لایه‌ای ذخیره سازی در امیتر RTS بوجود می‌آید. خمیدگی باند توسط حامل‌های آزاد جمع شده در مقابل نخستین مرز، القا می‌شود. از طرفی دیگر، یک ناحیه تخلیه متشکل از اهدا‌کننده‌های ثابت خمیدگی باند در کلکتور را القا می‌کند. اگر یک جریان از میان هر دو مرز عبور کند مقداری بار در ناحیه مرکزی چاه ذخیره می‌شود. در تمامی مرز‌ها شرط مرزی الکترواستاتیک می‌بایست برقرار باشد، بدین معنی که مؤلفه‌ی عمود جابجایی الکتریکی  می‌بایست پیوسته باشد.

افت کلی پتانسیل برابراست با مجموع افت‌ها در لایه‌های ذخیره شده، مرز‌ها و ناحیه چاه و ناحیه تخلیه است. فرض می‌کنیم که میدان الکتریکی در نخستین مرز با  نشان داده شده است. سپس افت‌های پتانسیل مختلف را در یک RTS محاسبه می‌کنیم.

میدان الکتریکی در لایه‌ی میانی امیتر-مرز بر اساس شرط مرزی  داده شده است. برای ساده سازی، فرض می‌کنیم که نیمه‌رسانا‌های تشکیل دهنده RTS ثابت دی‌الکتریک یکسانی دارند. بنابراین  و  که به این معنی است که میدان الکتریکی در مرز‌ها پیوسته است. پتانسیل لایه‌ی ذخیره‌شده امیتر در شکل ۱۸-۳ نشان داده شده است. خمیدگی باند در لایه‌ی ذخیره شده توسط الکترون‌های موجود در این لایه بوجود آمده است. بنابراین کل بار در لایه ذخیره شده برا اساس قانون گائوس عبارتست از:

ساختارهای تونلینگ

تلاش برای مود فرار

فرض کنید یک الکترون از درون مرز امیتر تونل زده است و درون چاه کوانتوم گرفتار شده است. این الکترون دارای انرژی جنبشی است که باعث می‌شود تا مابین دو مرز چاه رفت و برگشت کند. هر بار که الکترون به یکی از مرز‌ها برخورد می‌کند تلاش می‌کند تا از چاه فرار کند. ولی بدلیل احتمال پایین تونل زدن احتمال اینکه الکترون در تلاش اول خود بتواند از چاه فرارکند بسیار کم است. بدلیل وجود حالت‌های اشغال نشده در کالکتور، الکترون از مرز دوم عبور کرده و به سمت کالکتور می‌رود. فرار به سمت امیتر بعید است زیرا الکترون‌ها در لایه‌ی ذخیره‌شده سطح یکسانی از انرژی را در مقایسه با الکترون‌های درون چاه دارند.

نرخ تلاش‌ها برای فرار از چاه کوانتوم را می‌توان از انرژی جنبشی الکترون‌های درون چاه بدست آورد. فرض کنید که الکترون‌های درون چاه سطح انرژیی برابر با  (نسبت به ته چاه) دارند. با استفاده از فرض چاه بی‌نهایت، انرژی و ضریب الکترون را می‌توان به صورت زیر به یکدیگر مرتبط ساخت:

ساختارهای تونلینگ

بار ذخیره شده در چاه

اگر جریانی از یک ساختار تونل رزونانسی عبور کند، مقدار کمی بار در لایه‌ی چاه ذخیره می‌شود. فرض کنید جریانی برابر با  از درون ساختار تونل رزونانسی عبور می‌کند. بار درون چاه برای مدت زمان  باقی مانده و سپس با تونل زدن از چاه فرار می‌کند. بنابراین مقدار بار در واحد سطح در چاه عبارتست از:

تمرین: ساختار تونل رزونانس: راه کار‌هایی را برای بهبود نسبت قله به دره‌‌ی جریان برای ساختار‌های تونل رزونانسی پیشنهاد دهید. وابستگی این نسبت را به چگالی تغلیظ امیتر و دمای اندازه‌گیری شده شرح دهید.

ساختارهای تونلینگ