DE4336414A1 - Semiconductor tunnel element with negative resistance - uses double barrier structure with lower dimensional semiconductor with energy state in which charge carriers have negative mass - Google Patents
Semiconductor tunnel element with negative resistance - uses double barrier structure with lower dimensional semiconductor with energy state in which charge carriers have negative massInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Halbleiter-Tunnelelement, wie es dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 zu entnehmen ist. Es eignet sich zur Verstärkung elektrischer Signale vom Gleichstrom bis in den Bereich der Höchstfrequenzschwingun gen. Weiterhin ist die Anregung von Schwingungen in entspre chenden Oszillatorschaltungen mit derselben Obergrenze für den Frequenzbereich möglich. Die Möglichkeit des schnellen Schaltens mit sehr kurzen Verzögerungszeiten ist mit besagtem Bauelement ebenfalls gegeben. Daraus ergeben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten auf allen Gebieten der Nachrichten technik - z. B. der Telekommunikations-, Fernmelde- und Radar technik - sowie der Datenverarbeitungs- und Übertragungs technik.The invention relates to a semiconductor tunnel element, such as it can be seen from the preamble of claim 1. It is suitable for amplifying electrical signals from DC current in the range of the maximum frequency oscillation Furthermore, the excitation of vibrations is in correspondence appropriate oscillator circuits with the same upper limit for the frequency range possible. The possibility of quick Switching with very short delay times is with said Component also given. This gives rise to many Applications in all areas of news technology - e.g. B. the telecommunications, telecommunications and radar technology - as well as data processing and transmission technology.
Die Anregung und Verstärkung hochfrequenter Schwingungen zählt zu den zentralen Aufgaben der modernen Mikroelektronik. Dabei ist die Ausweitung des Frequenzbereiches bis hin zu den optischen Wellen von besonderem Interesse, um moderne Daten übertragungssysteme optimal nutzen zu können. In der Vergan genheit sind hierfür bipolare Transistoren und Feldeffekt transistoren (FET) eingesetzt worden. Die Frequenzgrenze der Verstärkung ersterer ist durch die Sperrschichtkapazitäten gegeben, während bei letzteren die Gatelänge und Ladungsträ gerbeweglichkeit zum begrenzenden Faktor bei hohen Frequenzen werden. Gegenwärtig können mit diesen Halbleiter-Bauelementen Schwingungen bis zu einigen 100 GHz angeregt und verstärkt werden, sowie Schaltvorgänge mit Verzögerungszeiten im Pico sekundenbereich ausgeführt werden.The excitation and amplification of high-frequency vibrations is one of the central tasks of modern microelectronics. Here is the expansion of the frequency range up to optical waves of particular interest to modern data optimal use of transmission systems. In the vergan Bipolar transistors and field effect are used for this transistors (FET) have been used. The frequency limit of the The former is reinforced by the junction capacities given, while in the latter the gate length and charge carrier mobility to the limiting factor at high frequencies become. Currently, these semiconductor devices can Vibrations up to a few 100 GHz excited and amplified as well as switching operations with delay times in the Pico seconds range.
Eine andere Möglichkeit der Anregung und Verstärkung von hochfrequenten Signalen besteht in Halbleiter-Bauelementen, die in ihrer Strom-Spannungskennlinie einen fallenden Teil aufweisen. In diesem Kennlinienteil ist der differentielle Widerstand des Bauelementes negativ. Wird es an eine hochfre quente Signalquelle oder ein schwingungsfähiges System ge schaltet, dann werden letztere durch den negativen differen tiellen, Widerstand entdämpft. Dadurch ist Verstärkung und An regung hochfrequenter Schwingungen möglich. Durch Umschalten zwischen Kennlinienteilen mit negativem und positivem Anstieg können Schaltvorgänge mit kurzer Verzögerungszeit realisiert werden. Als Beispiel sei die Tunneldiode nach der amerikani schen Patentschrift Nr. 3308351 genannt. Ähnlich den Transis toren können mit diesem Bauelement Schwingungen bis zu eini gen 100 GHz angeregt und Signale im Picosekundenbereich ge schaltet werden.Another way of stimulating and reinforcing high-frequency signals consists in semiconductor devices, a falling part in their current-voltage characteristic exhibit. In this part of the curve is the differential Resistance of the component negative. Will it be a hochfre quent signal source or an oscillatory system ge switches, then the latter by the negative differen tial, resistance dampened. This is reinforcement and on excitation of high-frequency vibrations possible. By switching between parts of the curve with negative and positive increase can implement switching processes with a short delay time become. The tunnel diode after the ameri is an example called patent specification No. 3308351. Similar to the transis gates can vibrate up to one with this component excited to 100 GHz and signals in the picosecond range be switched.
Jüngeren Datums ist die in der Zeitschrift Applied Phys ics Letters, Vol. 24, Nr. 12, S. 593 angegebene Resonanztun neldiode. Auch hier handelt es sich um ein Bauelement, das in einem fallenden Teil seiner Kennlinie betrieben wird. In Oszillatorschaltungen können mit besagter Resonanztunneldiode derzeit Schwingungen bis zu 700 GHz angeregt werden. Schalt vorgänge sind mit minimalen Verzögerungszeiten von ca. 5 ps möglich. Für die Verstärkung hochfrequenter Signale werden die genannten Bauelemente jedoch kaum eingesetzt.The most recent date is the one published in Applied Phys ics Letters, Vol. 24, No. 12, p. 593 indicated resonance neldiode. This is also a component that is operated in a falling part of its characteristic curve. In Oscillator circuits can with said resonance tunnel diode vibrations up to 700 GHz are currently excited. Switching operations are with minimal delay times of around 5 ps possible. For the amplification of high-frequency signals however, the components mentioned are rarely used.
Ausgehend von den genannten Eigenschaften bekannter Bau elemente ist es das Ziel der Erfindung, ein Halbleiter-Bau element bereitzustellen, mit dem die Nachteile bekannter Bau elemente vermieden und ihre nützlichen Eigenschaften weiter verbessert werden. Insbesondere soll durch die Erfindung ein Bauelement geschaffen werden, mit dem folgende Vorteile er reicht werden:Based on the characteristics of known construction elements it is the aim of the invention to build a semiconductor provide element with which the disadvantages of known construction elements avoided and their useful properties continued be improved. In particular, by the invention Component are created with the following advantages will be enough:
- - Verstärkung elektrischer Signale vom Gleichstrom bis zu Schwingungen im Terahertzbereich, d. h. bis zum fernen In frarot.- Amplification of electrical signals from direct current up to Vibrations in the terahertz range, d. H. to the distant In infrared.
- - Anregung von Schwingungen mit derselben Obergrenze für den Frequenzbereich.- Excitation of vibrations with the same upper limit for the Frequency range.
- - Schnelles Schalten mit Verzögerungszeiten im Subpicosekun denbereich.- Fast switching with delay times in subpicosecun the area.
- - Ausführung der genannten Funktionen in einem nichtfallenden Kennlinienteil des Bauelementes.- Execution of the functions mentioned in a non-falling Characteristic part of the component.
- - Getrennte Betriebs- und Arbeitsstromkreise für das Bauele ment.- Separate operating and working circuits for the construction ment.
- - Rauscharmut durch Vermeiden heißer Ladungsträger im Strom transportprozeß.- Low noise level by avoiding hot charge carriers in the electricity transportation process.
Die genannten Vorteile werden mit einem Halbleiter-Baulement erreicht, in dem ein erfindungsgemäß ausgewählter niedrigdi mensionaler Halbleiter einer Doppelbarrierenanordnung einen negativen Widerstand ausbildet, wenn ein Tunnelstrom aus einem erfindungsgemäß gestalteten Emitter in besagten nie drigdimensionalen Halbleiter fließt. Zum Betrieb des Bauele mentes wird ein erfindungsgemäß ausgewähltes Tunnelstrommaxi mum eingestellt. Es wird also nicht in einem fallenden Teil der Strom-Spannungskennlinie betrieben. Der besagte negative Widerstand kann mit zwei Stromanschlußkontakten von besagtem niedrigdimensionalen Halbleiter der Doppelbarrierenanordnung abgegriffen und an eine hochfrequente Signalquelle geschaltet werden. Im Bereich sehr hoher Signalfrequenzen wird das Sig nalfeld jedoch nicht leitungsgebunden über Stromanschlußkon takte an den negativen Widerstand geschaltet, sondern als Verschiebungsstrom eingekoppelt. In besagten Fällen einer Schwingungsverstärkung und -anregung im Bereich sehr hoher Frequenzen kann daher auf die Stromanschlußkontakte am nie drigdimensionalen Halbleiter der Doppelbarrierenanordnung verzichtet werden.The advantages mentioned are with a semiconductor device achieved in which a selected according to the invention di Dimensional semiconductor of a double barrier arrangement negative resistance forms when a tunnel current runs out an emitter designed according to the invention in said never three-dimensional semiconductor flows. To operate the Bauele mentes a tunnel current maximum selected according to the invention mum set. So it won't be in a falling part operated the current-voltage characteristic. The said negative Resistance can with two power contacts of said low-dimensional semiconductor of the double barrier arrangement tapped and connected to a high-frequency signal source become. In the area of very high signal frequencies, the Sig nalfeld not wired via power connection con clock switched to the negative resistor, rather than Displacement current injected. In said cases one Vibration amplification and excitation in the very high range Frequencies can therefore never reach the power connection contacts third-dimensional semiconductor of the double barrier arrangement to be dispensed with.
Der besagte negative Widerstand hat seine Ursache darin, daß die aus dem Emitter getunnelten Ladungsträger im niedrig dimensionalen Halbleiter der Doppelbarrierenanordnung Ener giezustände besetzen, in denen sie senkrecht zur Tunnelstrom richtung eine negative effektive Masse haben. Wegen des be kannten Zusammenhanges zwischen Beweglichkeit und effektiver Masse freier LadungsträgerThe negative resistance is due to the fact that that the charge carriers tunneled from the emitter in the low dimensional semiconductor of the double barrier arrangement Ener occupy states in which they are perpendicular to the tunnel current direction have a negative effective mass. Because of the be known connection between mobility and effective Mass of free charge carriers
mit
µ = Beweglichkeit freier Ladungsträger,
e = Elementarladung,
τ = freie Flugzeit (Stoßzeit) der Ladungsträger,
meff = effektive Masse freier Ladungsträger,With
µ = mobility of free charge carriers,
e = elementary charge,
τ = free flight time (rush hour) of the charge carriers,
m eff = effective mass of free charge carriers,
haben Ladungsträger im Halbleiter eine negative Beweglichkeit, wenn ihre effektive Masse negativ ist. Ladungsträger mit negativer Beweglichkeit werden während ihrer Lebensdauer in einem Feld (z. B. einem hochfrequenten Signalfeld) nicht be schleunigt, sondern abgebremst. Dabei geben sie ihre Energie an das besagte Signalfeld ab, wodurch es verstärkt wird. Die obere Frequenzgrenze hierfür ist durch die Aufenthaltsdauer der Ladungsträger in besagten Energiezuständen gegeben. Be kannt sind Werte im Bereich von 10-11 bis 10-14 s. Daraus folgt, daß mit dem erfindungsgemäßen Halbleiter-Tunnelelement hochfrequente Schwingungen bis hin zum Terahertzbereich (fer nes Infrarot) angeregt und verstärkt werden können. Außerdem sind Schaltvorgänge mit Verzögerungszeiten im Subpicosekun denbereich möglich.charge carriers in the semiconductor have a negative mobility if their effective mass is negative. Charge carriers with negative mobility are not accelerated during their lifetime in a field (e.g. a high-frequency signal field), but braked. In doing so, they release their energy to the said signal field, which amplifies it. The upper frequency limit for this is given by the length of time of the charge carriers in said energy states. Values in the range from 10 -11 to 10 -14 s are known. It follows that high-frequency vibrations up to the terahertz range (fer nes infrared) can be excited and amplified with the semiconductor tunnel element according to the invention. Switching operations with delay times in the subpicosecun range are also possible.
Aus dem gesagten folgt für die Erfindung die Aufgabe, eine Majorität von Ladungsträgern mit negativer effektiver Masse in niedrigdimensionalen Halbleiter der Doppelbarrieren anordnung zu schaffen. Diese Aufgabe wird gelöst, wie es den Kennzeichen des Patentanspruches 1 entspricht. Das Halblei ter-Tunnelelement besteht demnach aus einer Folge von Halb leitern, die entsprechend der schematischen Darstellung Fig. 1 angeordnet sind. Zwischen einer Emitterregion 1 und einer Kollektorregion 5 befindet sich eine Doppelbarrieren-Tunnel struktur, die ihrerseits aus zwei Tunnelbarrieren 2 und 4 be steht, zwischen denen ein niedrigdimensionaler Halbleiter 3 angeordnet ist. Das Tunnelelement ist emitter- und kollektor seitig mit den Stromanschlußkontakten 6 und 7 versehen. An zwei gegenüberliegenden Seiten des niedrigdimensionalen Halb leiters 3 können Stromanschlußkontakte 8 und 9 vorgesehen werden, um den negativen Widerstand auf einen äußeren Strom kreis zu schalten.From the foregoing, the task for the invention follows to create a majority of charge carriers with a negative effective mass in low-dimensional semiconductors of the double barrier arrangement. This object is achieved as it corresponds to the characteristics of claim 1. The semiconductor ter tunnel element therefore consists of a series of semiconductors, which are arranged according to the schematic representation of FIG. 1. Between an emitter region 1 and a collector region 5 there is a double barrier tunnel structure, which in turn consists of two tunnel barriers 2 and 4 , between which a low-dimensional semiconductor 3 is arranged. The tunnel element is provided on the emitter and collector side with the power connection contacts 6 and 7 . On two opposite sides of the low-dimensional semi-conductor 3 , power connection contacts 8 and 9 can be provided to switch the negative resistance to an external circuit.
Es ist bekannt, daß der Ladungsträgertransport in einem zwischen zwei Tunnelbarrieren befindlichen niedrigdimensio nalen Halbleiter senkrecht zur Tunnelstromrichtung nicht mehr in einem kontinuierlichen Energieband, sondern in schmalen, auf verschiedenen Energieniveaus liegenden, niedrigdimensio nalen Bändern, den Subbändern, stattfindet. Besagte Energie niveaus sind die Eigenzustände des niedrigdimensionalen Halb leiters. Wenn der niedrigdimensionale Halbleiter der Doppel barrierenanordnung jedoch ein Quantenpunkt ist (nulldimensio nal), findet der Ladungsträgertransport senkrecht zur Tunnel stromrichtung nicht mehr in Subbändern statt.It is known that the charge carrier transport in one low dimension between two tunnel barriers nalen semiconductors perpendicular to the tunnel current direction no longer in a continuous energy band, but in narrow, on different energy levels, low dimension nal bands, the subbands, takes place. Said energy levels are the eigenstates of the low-dimensional half leader. If the low-dimensional semiconductor is the double barrier arrangement, however, is a quantum dot (null dimension nal), the charge carrier transport takes place perpendicular to the tunnel current direction no longer takes place in subbands.
Es ist ferner bekannt, daß ein Tunnelstrom von Ladungs trägern aus dem Emitter in den niedrigdimensionalen Halblei ter der Doppelbarrierenanordnung nur fließen kann, wenn durch ein anliegendes Feld die Energie der Emitterladungsträger auf das Energieniveau eines der besagten Subbänder - die Eigenzu stände des niedrigdimensionalen Halbleiters - angehoben wird. Entsprechend Fig. 2 nimmt die Tunnelstromcharakteristik 11 dadurch einen höckerförmigen Verlauf an. Bei den Spannungen V1, V2, . . . Vn liegt eine Überhöhung des Tunnelstromes vor, die durch die Bezugszahlen 12a, 12b, . . . 12n gekennzeichnet ist. Bei den bezeichneten Strommaximatunneln die Emitterladungs träger isoenergetisch unter Beibehaltung ihres Impulses senk recht zur Tunnelstromrichtung in das zum jeweiligen Eigenzu stand gehörige Subband. Dabei behalten die Ladungsträger senkrecht zur Tunnelstromrichtung ihre Korpuskelnatur und be wegen sich nach bekannten Gesetzen in besagten Subbändern. Insbesondere ist ihre effektive Masse (und wegen Gleichung (1) auch ihre Beweglichkeit) von der Krümmung des Energie bandverlaufes abhängig. Es giltIt is also known that a tunnel current of charge carriers from the emitter in the low-dimensional semiconductor ter of the double barrier arrangement can only flow when the energy of the emitter charge carriers is raised to the energy level of one of said subbands - the Eigenzu states of the low-dimensional semiconductor - by an applied field becomes. According to Fig. 2 takes the tunnel current characteristic 11 in a bump-shaped path on. At voltages V 1 , V 2,. . . V n is an increase in the tunnel current, which is indicated by the reference numerals 12 a, 12 b,. . . 12 n is marked. In the designated maximum current tunnels, the emitter charge carriers are isoenergetic while maintaining their momentum perpendicular to the tunnel current direction in the subband belonging to the respective Eigenzu. The charge carriers keep their body nature perpendicular to the direction of the tunnel current and move according to known laws in said subbands. In particular, their effective mass (and because of equation (1) also their mobility) depends on the curvature of the energy band. It applies
mit
h = Plancksches Wirkungsquantum,
E = Energie freier Ladungsträger,
k = Wellenvektor.With
h = Planck's quantum of action,
E = energy of free charge carriers,
k = wave vector.
Ladungsträger, die Zustände in einem konkav (positiv) ge krümmten Teil eines Energiebandverlaufes besetzen haben gemäß Gleichung (2) eine positive effektive Masse. In einem konvex (negativ) gekrümmten Energieband ist meff negativ und an der Übergangsstelle vom negativ zum positiv gekrümmten Teil eines Bandes ist die effektive Masse der Ladungsträger unbegrenzt groß.Charge carriers that occupy states in a concave (positive) curved part of an energy band course have a positive effective mass according to equation (2). In a convex (negative) curved energy band, m eff is negative and at the transition from the negative to the positively curved part of a band, the effective mass of the charge carriers is unlimited.
Nach Maßgabe der vorangestellten Erläuterungen wird er findungsgemäß für den niedrigdimensionalen Halbleiter 3 in der Doppelbarrierenanordnung ein Halbleiter ausgewählt, der im Spektrum seiner mit den Eigenenergiezuständen verbundenen zwei- oder eindimensionalen Energiebänder wenigstens ein Sub band enthält, das entsprechend Fig. 3 geformt ist. In Fig. 3 ist der Verlauf der Ladungsträgerenergie über dem Wellenvek tor (Impuls) der Ladungsträger senkrecht zur Tunnelstrom richtung dargestellt und durch die Bezugszahl 13 gekennzeich net. Besagter Energiebandverlauf 13 ähnelt einer Parabel mit einem nach innen gedrückten Scheitelbereich. E0 sei das Ener gieniveau des Eigenzustandes, Bezugszahl 14. Für kleine Werte von ist der Energiebandverlauf konvex (negativ) gekrümmt und durch die Bezugszahl 15 gekennzeichnet. Ladungsträger, die Zustände in diesem Teil des Bandes besetzen haben gemäß Gleichung (2) eine negative effektive Masse und mit Gleichung (1) eine negative Beweglichkeit. Bei = kn (Bezugszahl 16 in Fig. 3) wechselt die Krümmung des Energiebandverlaufes ihr Vorzeichen, hat also den Wert Null. Ladungsträger, die Zu stände bei diesem Wert des Wellenvektors besetzen haben eine unbegrenzt große effektive Masse und die Beweglichkeit Null, d. h. sie nehmen nicht am Stromtransport teil. Schließlich ist im konkav (positiv) gekrümmten Teil des Energiebandverlaufes mit der Bezugszahl 17 die effektive Masse - und damit auch die Beweglichkeit - freier Ladungsträger positiv.According to the preceding explanations, he is selected according to the invention for the low-dimensional semiconductor 3 in the double barrier arrangement, a semiconductor which contains at least one sub-band in the spectrum of its two-dimensional or one-dimensional energy bands associated with the intrinsic energy states, which is shaped according to FIG. 3. In Fig. 3, the course of the charge carrier energy over the Wellenvek tor (pulse) of the charge carrier perpendicular to the tunnel current direction is shown and marked by the reference number 13 net. Said energy band curve 13 is similar to a parabola with an apex region pressed inwards. E 0 is the energy level of the eigenstate, reference number 14 . For small values of the energy band course is convex (negative) curved and identified by the reference number 15 . Charge carriers that occupy states in this part of the band have a negative effective mass according to equation (2) and a negative mobility with equation (1). At = k n (reference number 16 in FIG. 3), the curvature of the energy band course changes its sign, that is to say has the value zero. Charge carriers that occupy states at this value of the wave vector have an unlimited effective mass and zero mobility, ie they do not take part in the current transport. Finally, in the concave (positive) curved part of the energy band course with the reference number 17, the effective mass - and thus also the mobility - of free charge carriers is positive.
Von dem Verbindungshalbleiter GaAs ist bekannt, daß im Spektrum seiner zweidimensionalen Energiebänder wenigstens zwei Valenzsubbänder ähnlich dem Energieband 13 in Fig. 3 mit einem konvex gekrümmten Teil 15 enthalten sind, wenn besagter Halbleiter als Quantentrog in einer Doppelbarrierenanordnung eingesetzt wird. Aus der Theorie ist bekannt, daß eine Anzahl von Verbindungs- und Legierungshalbleitern der dritten und fünften sowie der zweiten und sechsten Gruppe des Perioden systems der Elemente im Spektrum ihrer Valenzsubbänder wenigstens ein Subband 13 mit einem konvex gekrümmten Teil 15 enthalten, wenn sie als Quantentrog in einer Doppelbarrieren anordnung eingesetzt werden. Dies gilt auch für den Legie rungshalbleiter SiGe, der als Quantentrog zwischen Silizium barrieren in einer Doppelbarrierenanordnung unter biaxialer Kompressionsspannung steht.It is known from the compound semiconductor GaAs that at least two valence subbands similar to the energy band 13 in FIG. 3 with a convexly curved part 15 are contained in the spectrum of its two-dimensional energy bands when said semiconductor is used as a quantum well in a double barrier arrangement. From theory it is known that a number of compound and alloy semiconductors of the third and fifth as well as the second and sixth group of the periodic table of the elements in the spectrum of their valence subbands contain at least one subband 13 with a convexly curved part 15 , when in as a quantum well a double barrier arrangement can be used. This also applies to the alloy semiconductor SiGe, which is a quantum well between silicon barriers in a double barrier arrangement under biaxial compression stress.
Somit wird die technische Aufgabe der Erfindung, eine Majorität von Ladungsträgern mit negativer effektiver Masse zu erzeugen dadurch gelöst, daß ein Halbleiter für den Quan tentrog oder Quantendraht der Doppelbarrierenanordnung ausge wählt wird, der im Spektrum seiner zwei- oder eindimensiona len Energiebänder wenigstens ein Subband 13 mit einem konvex gekrümmten Teil 15 enthält. Zum Betrieb des Bauelementes wird ein Maximum des Tunnelstroms für den Eigenenergiezustand ein gestellt, der mit besagtem Subband verbunden ist. Treten mehrere Subbänder 13 auf, so ist es für die Erfindung uner heblich, welches der diesbezüglichen Tunnelstrommaxima ein gestellt wird. Im Tunnelstrommaximum gelangen die Ladungs träger des Emitters isoenergetisch, unter Beibehaltung ihres Impulses senkrecht zur Tunnelstromrichtung in das Subband 13. Solange nur Zustände im konvexen Teil 15 besetzt werden ent steht eine Majorität von Ladungsträgern mit negativer effek tiver Masse senkrecht zur Tunnelstromrichtung. Der Quanten trog oder Quantendraht nimmt senkrecht zur Tunnelstromrich tung einen negativen Widerstand an. Nach Ende ihrer Aufent haltszeit in den Energiezuständen des konvexen Teils 15 tun neln die Ladungsträger zum Kollektor.Thus, the technical object of the invention to generate a majority of charge carriers with a negative effective mass is achieved in that a semiconductor for the quantum trough or quantum wire of the double barrier arrangement is selected, which has at least one subband 13 in the spectrum of its two- or one-dimensional energy bands contains with a convexly curved part 15 . To operate the component, a maximum of the tunnel current for the self-energy state is set, which is connected to said subband. If several subbands 13 occur, it is irrelevant to the invention which of the relevant tunnel current maxima is set. In the tunnel current maximum, the charge carriers of the emitter reach isoenergetically, while maintaining their momentum perpendicular to the tunnel current direction in the subband 13 . As long as only states in the convex part 15 are occupied, there is a majority of charge carriers with a negative effective mass perpendicular to the direction of the tunnel current. The quantum trough or quantum wire assumes a negative resistance perpendicular to the tunnel current direction. After the end of their stay in the energy states of the convex part 15, the charge carriers do so to the collector.
Das Wirkprinzip des erfindungsgemäßen Halbleiter-Tunnelele mentes ist nicht an einen bestimmten Ladungsträgertyp gebun den. Ausschlaggebend ist, ob ein konvex gekrümmter Bereich 15 im Subband 13 eines Eigenenergiezustandes für Elektronen oder Löcher des Quantentroges oder Quantendrahtes der Doppelbar rierenanordnung vorliegt. Entsprechend müssen freie Ladungs träger dieses Leitungstyps im Emitter bereitgestellt werden, so daß das erfindungsgemäße Halbleiter-Tunnelelement vom n- oder p-Typ ist.The principle of operation of the semiconductor tunnel element according to the invention is not bound to a specific charge carrier type. The decisive factor is whether there is a convexly curved region 15 in the subband 13 of an intrinsic energy state for electrons or holes in the quantum well or quantum wire of the double-barrier arrangement. Accordingly, free charge carriers of this type of conduction must be provided in the emitter, so that the semiconductor tunnel element according to the invention is of the n or p type.
Für die Erfindung ist es wesentlich, daß nur Zustände im konvex gekrümmten Teil 15 eines Subbandes 13 mit Ladungsträ gern, die aus dem Emitter tunneln, besetzt werden. Die Emit terladungsträger haben in den besagten Zuständen eine nega tive Beweglichkeit, wodurch der Quantentrog oder Quantendraht der Doppelbarrierenanordnung einen negativen Widerstand senk recht zur Tunnelstromrichtung annimmt. Wenn jedoch Zustände im konkav gekrümmten Teil 17 eines Subbandes 13 ebenfalls be setzt werden, enthält der Quantentrog oder Quantendraht auch Ladungsträger mit positiver Beweglichkeit. Dies hat zur Fol ge, daß der negative Widerstand ganz oder teilweise kompen siert wird. Erfindungsgemäß kann dies durch folgende Maß nahmen vermieden werden:It is essential for the invention that only states in the convexly curved part 15 of a subband 13 with charge carriers which tunnel out of the emitter are occupied. The emit terträger have a negative mobility in said states, whereby the quantum well or quantum wire of the double barrier arrangement assumes a negative resistance perpendicular to the direction of the tunnel current. However, if conditions in the concavely curved part 17 of a subband 13 are also set, the quantum well or quantum wire also contains charge carriers with positive mobility. This has the consequence that the negative resistance is fully or partially compensated. According to the invention, this can be avoided by taking the following measures:
- - Die Emitterregion enthält an der Grenze zur Doppelbar rierenanordnung einen Halbleiter, dessen freie Ladungsträger ein Impulsspektrum haben, das den Impulsbereich des konvex gekrümmten Teils 15 in einem Subband 13 nicht überschreitet. Da der Impuls der Ladungsträger seinen größten Wert bei der Fermigrenze annimmt, muß das Energieniveau der Fermigrenze so eingestellt werden, daß kF kn gilt. (kF Wellenvektor freier Ladungsträger an der Fermigrenze). Dies kann durch geeignete Dotierung, Lichteinstrahlung oder ähnliche Maßnahmen erreicht werden.- The emitter region contains a semiconductor at the border to the double barrier arrangement, the free charge carriers of which have a pulse spectrum which does not exceed the pulse region of the convexly curved part 15 in a subband 13 . Since the momentum of the charge carriers takes on its greatest value at the Fermi limit, the energy level of the Fermi limit must be set so that k F k n applies. (k F wave vector of free charge carriers at the Fermi boundary). This can be achieved by suitable doping, light irradiation or similar measures.
- - Die Emitterregion enthält an der Grenze zur Doppelbarrier enanordnung einen niedrigdimensionalen Halbleiter, aus dem die Ladungsträger in den Quantentrog oder Quantendraht tun neln. Besagter niedrigdimensionaler Halbleiter kann als Quan tentrog, Quantendraht oder als Supergitter ausgeführt sein. Die Emitterladungsträger befinden sich dann nicht mehr in einem kontinuierlichen, breiten Energieband sondern in schma len Sub- oder Minibändern auf einem nahezu diskreten Energie niveau. Im Tunnelstrommaximum für einen Eigenenergiezustand 14, der mit einem Subband 13 verbunden ist tunneln dann nur Emitterladungsträger aus einem nahezu diskreten Energie niveau, wodurch das Energie- und Impulsintervall des konvex gekrümmten Teils 15 nicht überschritten wird.- At the border to the double barrier arrangement, the emitter region contains a low-dimensional semiconductor from which the charge carriers tunnel into the quantum well or quantum wire. Said low-dimensional semiconductor can be designed as a quantum well, quantum wire or as a superlattice. The emitter charge carriers are then no longer in a continuous, wide energy band but in narrow sub- or mini bands at an almost discrete energy level. In the tunnel current maximum for a self-energy state 14 , which is connected to a subband 13 , only emitter charge carriers tunnel from an almost discrete energy level, as a result of which the energy and pulse interval of the convexly curved part 15 is not exceeded.
- - Der Quantentrog oder Quantendraht 3 in der Doppelbarrieren anordnung wird einer mechanischen Spannung ausgesetzt. Es ist bekannt, daß sich durch besagte Maßnahme das Spektrum der Valenzsubbänder stark verändert. Insbesondere weitet sich der Energie- und Impulsbereich eines konvexen Teils 15 in einem Valenzsubband 13 eines GaAs-Quantentroges stark aus, wenn er einer biaxialen Dehnungsspannung unterliegt. Dadurch kann das breite Energie- und Impulsspektrum freier Ladungsträger eines dreidimensionalen Emitters für den Tunnelstrom ausgenutzt werden, ohne daß Zustände im konkav gekrümmten Teil 17 eines Subbandes 13 besetzt werden.- The quantum well or quantum wire 3 in the double barrier arrangement is subjected to mechanical stress. It is known that the spectrum of the valence subbands changes considerably as a result of said measure. In particular, the energy and pulse range of a convex part 15 in a valence subband 13 of a GaAs quantum well expands greatly if it is subject to a biaxial strain stress. As a result, the broad energy and pulse spectrum of free charge carriers of a three-dimensional emitter can be used for the tunnel current without states in the concavely curved part 17 of a subband 13 being occupied.
Die genannten Maßnahmen können sowohl einzeln als auch in sinnvoller Kombination angewandt werden.The measures mentioned can be used both individually and in reasonable combination can be applied.
Das Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halblei ter-Tunnelelementes in der Form einer Folge von Epitaxie schichten entsprechend Fig. 1 ist in Fig. 4 im Querschnitt schematisch dargestellt. Gewählt wird eine zweidimensionale Ausführungsform mit dem Verbindungshalbleiter GaAs für den Quantentrog der Doppelbarrierenanordnung. Besagter GaAs- Quantentrog 3a ist undotiert und besitzt in Schichtabscheide richtung eine Ausdehnung zwischen 2 und 20 nm, vorzugsweise 6 nm. Für die Barrierehalbleiter 2 und 4 werden undotierte AlxGa1-xAs-Schichten mit 0,3 x 1, vorzugsweise x = 1 ein gesetzt. Für die Barriereschichten wird eine Dicke im Bereich von 1 bis 20 nm, vorzugsweise 5 nm gewählt.The embodiment of a semiconductor tunnel element according to the invention in the form of a sequence of epitaxial layers corresponding to FIG. 1 is shown schematically in cross section in FIG. 4. A two-dimensional embodiment is selected with the compound semiconductor GaAs for the quantum well of the double barrier arrangement. Said GaAs quantum well 3 a is undoped and has an extent in the layer deposition direction of between 2 and 20 nm, preferably 6 nm. For the barrier semiconductors 2 and 4 , undoped Al x Ga 1-x As layers with 0.3 x 1, preferably x = 1 set. A thickness in the range from 1 to 20 nm, preferably 5 nm, is selected for the barrier layers.
Die Emitterregion enthält an der Grenze zur Barriere schicht 2 eine GaAs-Schicht 1a, die 2 bis 20 nm, vorzugsweise 5 nm dick ist und undotiert oder höchstens bis zu 5 1016, vorzugsweise 2 1016 cm-3 p-dotiert ist. Es folgt eine GaAs- Schicht 1b, die 0,1 bis 5 µm, vorzugsweise 0,5 µm dick ist und eine p-Dotierung im Bereich von 1018 bis 1019 cm-3, vor zugsweise 2 1018 cm -3 aufweist. Auf besagter Schicht 1b wird der Stromanschlußkontakt 6 aufgebracht.The emitter region contains at the boundary to the barrier layer 2 a GaAs layer 1 a, which is 2 to 20 nm, preferably 5 nm thick and undoped or at most up to 5 10 16 , preferably 2 10 16 cm -3 p-doped. A GaAs layer 1 b follows, which is 0.1 to 5 μm, preferably 0.5 μm thick and has a p-doping in the range from 10 18 to 10 19 cm -3 , preferably 2 10 18 cm -3 . The current connection contact 6 is applied to said layer 1 b.
Die Kollektorregion enthält an der Grenze zur Barriere schicht 4 eine GaAs-Schicht 5a mit einer Dicke von 20 bis 200 nm, vorzugsweise 100 nm, die p-dotiert ist mit 1017 bis 1018 cm-3, vorzugsweise 3 1017 cm-3. Die Verbindung zum kol lektorseitigen Stromanschlußkontakt 7 wird durch eine 0,1 bis 1 µm, vorzugsweise 0,2 µm dicke GaAs-Schicht hergestellt, die eine p-Dotierung von 1018 bis 1019 cm-3, vorzugsweise 2 1018 cm-3 aufweist.At the boundary to the barrier layer 4, the collector region contains a GaAs layer 5 a with a thickness of 20 to 200 nm, preferably 100 nm, which is p-doped with 10 17 to 10 18 cm -3 , preferably 3 10 17 cm . 3rd The connection to the power supply contact 7 on the collector side is produced by a 0.1 to 1 μm, preferably 0.2 μm thick GaAs layer which has a p-doping of 10 18 to 10 19 cm -3 , preferably 2 10 18 cm -3 having.
Die außerhalb der Doppelbarrierenanordnung befindlichen Schichten 3b und 3c, die zur Verbindung des Quantentroges oder Quantendrahtes 3a mit den Stromanschlußkontakten 8 und 9 dienen, werden aus GaAs mit einer p-Dotierung von 1017 bis 1018 cm-3, vorzugsweise 3 1017 cm-3 gefertigt. Zur Isolierung gegen die Kollektorregion sind die Schichten 18 und 19 mit einer Ausdehnung in Schichtabscheiderichtung von 20 nm bis 2 µm, vorzugsweise 200 nm aus undotiertem AlxGa1-xAs mit 0,3 x 1, vorzugsweise x = 1 angeordnet.The layers 3 b and 3 c located outside the double barrier arrangement, which serve to connect the quantum well or quantum wire 3 a to the current connection contacts 8 and 9 , are made of GaAs with a p-doping of 10 17 to 10 18 cm -3 , preferably 3 10 17 cm -3 made. For insulation against the collector region, the layers 18 and 19 are arranged with an extension in the layer deposition direction of 20 nm to 2 μm, preferably 200 nm, from undoped Al x Ga 1-x As with 0.3 x 1, preferably x = 1.
Besagte Schichtenfolge wird auf einer GaAs-Scheibe 10 nach bekannten Verfahren der Schichtabscheidetechnologie als Folge von Epitaxieschichten abgeschieden. Die in Fig. 4 im Querschnitt dargestellte Struktur des erfindungsgemäßen Halb leiter-Tunnelelementes wird aus besagter Schichtenfolge nach bekannten Verfahren herausgelöst. Die Metallschichten für die Stromanschlußkontakte 6 bis 9 werden entsprechend dem Stand der Technik aufgebracht.Said layer sequence is deposited on a GaAs wafer 10 using known methods of layer deposition technology as a result of epitaxial layers. The structure of the semiconductor ladder element according to the invention shown in cross section in FIG. 4 is extracted from said layer sequence by known methods. The metal layers for the current connection contacts 6 to 9 are applied in accordance with the prior art.
Mit dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel sind die Realisierungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Halb leiter-Tunnelelementes nicht erschöpft. Wie bereits erwähnt, sollten für p-Typ Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Bauelementes weitere Halbleiter geeignet sein, wenn sie als Quantentrog oder Quantendraht in der Doppelbarrierenanordnung eingesetzt werden.With the above-described embodiment the implementation options of the half according to the invention conductor tunnel element is not exhausted. As already mentioned, should be embodiments of the invention for p-type Component other semiconductors may be suitable if they Quantum trough or quantum wire in double barrier arrangement be used.
Claims (12)
- a) Der niedrigdimensionale Halbleiter (3) der Doppelbarrieren anordnung hat im Spektrum seiner Eigenenergiezustände wenigs tens einen Zustand (14), der mit einem Subband (13) verbunden ist, in dem die Ladungsträger in einem Energie- und Impuls bereich (15) senkrecht zur Tunnelstromrichtung eine negative effektive Masse haben.
- b) Der Halbleiter der Emitterregion (1) enthält freie Ladungs träger, deren Impuls senkrecht zur Tunnelstromrichtung das Impulsintervall des Bereiches (15) in einem besagten Subband (13) nicht überschreitet.
- c) Das Bauelement wird bei einem Tunnelstrommaximum betrie ben, bei dem die Emitterladungsträger in einen Eigenenergie zustand (14) des niedrigdimensionalen Halbleiters (3) der Doppel barrierenanordnung tunneln, der mit einem besagten Subband (13) verbunden ist.
- a) The low-dimensional semiconductor ( 3 ) of the double barrier arrangement has at least one state ( 14 ) in the spectrum of its own energy states, which is connected to a subband ( 13 ) in which the charge carriers in an energy and pulse region ( 15 ) perpendicular to Tunnel current direction have a negative effective mass.
- b) The semiconductor of the emitter region ( 1 ) contains free charge carriers whose pulse perpendicular to the tunnel current direction does not exceed the pulse interval of the area ( 15 ) in said subband ( 13 ).
- c) The component is operated at a tunnel current maximum in which the emitter charge carriers tunnel into a self-energy state ( 14 ) of the low-dimensional semiconductor ( 3 ) of the double barrier arrangement, which is connected to said subband ( 13 ).
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