谐振隧道穿透二极管，Resonant tunneling diod（RTD）：

这是由两个量子势垒夹有一个量子势阱而构成的一种两端量子器件，它是依靠所谓共振隧穿效应来工作的，具有负阻的伏安特性。现在它已经成为了纳米量子器件的一种基本器件。

（1）共谐振隧穿效应:

因为势阱中存在电子的分离的准束缚态能级，故当入射电子的能量E与阱中的某量子化能级En不一致时, 则总的透射几率≈0 (势垒不透明)。当运动电子的能量E与阱中的某量子化能级En一致时, 则将有很大的隧穿几率，即这时双势垒完全透明(透射率可达100%，即共振隧穿, 这与隧道二极管不同)。从物理意义上来看，产生共振隧穿的原因是：类似光束通过法布里-珀罗腔[F-P腔] (来回反射, 并相干叠加), 使某些波长的光透射率极大, 而其他波长的光透射率极小; 这里量子阱起着F-P腔的作用, 双势垒起着半反射镜的作用. 实质上, 也就是隧穿到量子阱中的电子波, 在阱中来回反射，每在势垒2反射一次, 就有一部分波穿过势垒2 而射出到右边区域; 总的透射波即是多次透射势垒2的电子波的叠加。共振隧穿时, 双势垒-量子阱结构对电子几乎是透明的, 无反射波。对于半导体双势垒-势阱的共振隧穿，相对于真空中的情况而言, 需要作以下一些修正：①采用有效质量m*来代替真空中的自由电子质量m，电子波函数的隧穿几率只与能级En有关；②势阱中的能级对应于子能带；③散射对共振隧穿有影响，散射将破坏势阱中的共振作用(反射波不能完全相消), 从而影响到总的隧穿几率。

（2）RTD的工作性能：

对于构成器件的双量子势垒和单量子阱以外的区域，左边(源区S)一般掺杂较高，右边(漏区D)掺杂浓度可以比较低(≈1017cm-3)。电子从源(S)隧穿到漏(D)的透过率(比例于电流I)与电子的能量(~波长)有很大关系 (即与S-D之间的电压V强烈有关)；入射电子波将受到势垒1和势垒2的反射, 然后这二束反射波发生干涉；对某个波长的入射波，其反射波将由于干涉而消失, 则使透过率增大，这就对应于谐振隧穿的情况——开通；相反, 对其他一些波长的入射波, 将由于势垒的反射, 使透过率下降——关断。

RTD的I-V特性存在有负阻（见图示），因为当电压使得发生谐振隧穿时, 电流很大, 而脱离谐振时电流即变得很小，从而产生出负阻。谷值电流则主要是来自于过剩电流(包括经由势垒材料高能谷的隧穿过程和声子、杂质协助的隧穿过程所形成的电流)。在电压高于谷值电压时, 电流是热离子电流(由越过势垒的热电子和经过量子阱较高分离能

级注入的电子所形成, 类似隧道二极管中的热扩散电流)。

对于GaAs/AlxGa1-xAs异质结构的RTD，组分x越大, 势垒就越高, 谐振隧穿几率的峰谷比也就越大, 则I-V特性曲线的峰谷比亦越大, 但是隧穿几率减小了, 使电流有所降低。因此, 在工艺设计中, 为了获得较大的负阻效应, 应该x越大越好; 但是从RTD的驱动能力(电流)来考虑, x应该越小越好, 这二者要折中考虑。另外, 再从工艺实践效果来看, 若x太大, 异质结的界面缺陷将大大增加。所以一般是取 x = 0.3 ~ 0.5 。

RTD和隧道二极管一样，因为量子隧穿的响应时间< 0.3ps，故通常可忽略隧穿过程的时间延迟，因此也具有优良的微波性能，并从而RTD的性能好坏往往主要是决定于材料和器件结构的参数。RTD的等效电路型式和输出功率、转换效率的关系等, 都与隧道二极管的相同。但是RTD的微波性能更好(截止频率更高)，因为隧道二极管两侧的掺杂浓度都非常高( ≥ 10 cm ), p-n结电容大，而RTD的势垒和势阱的掺杂浓度都非常低 ( ≈10cm), 则耗尽层电容小。总之，RTD与隧道二极管相比，RTD的峰值电流和电流峰谷比要大得多，截止频率也比较高。

（3）实现RTD所需要具备的条件：

①势阱和2个势垒的总宽度应该小于电子的平均自由程，这就要求减小杂质和缺陷的散射（可采用不掺杂的势垒和势阱材料, 并改进异质结界面的质量）；

②热离子发射电流应该比隧道电流小得多, 这就要求势垒高度 (为ΔEC) 较低和势垒的宽度较小, 并最好在低温下使用以减小热离子发射和减弱晶格散射；

③应该采用m*小的材料, 使高掺杂源区的简并量大, 以提高峰值电流。

因此，对于RTD，为了获得较大的峰值电流和高的峰-谷比，就应该：采用不掺杂的势垒和势阱材料，并且要改善异质结界面的质量以及减小杂质和缺陷的散射, 使电子的迁移率和自由程增大；同时要求势垒高度和宽度比较小, 而且最好在低温下使用以减小热电子发射和降低晶格散射；采用 m*小的材料, 使高掺杂发射区的简并量大, 以提高峰值电流。

（4）RTD的重要特性：

① RTD的光致发光光谱表明：在RTD的量子阱中存在有准局域态。因此共振随穿现象是电子从发射区的3维态到量子阱的2维态的隧道效应；

② RTD的直流I-V特性测量表明：呈现出共振随穿所予示的共振峰和负微分电阻，并在负微分电阻区还呈现出振动、双稳性和一个肩状峰（可能是测量电路在负微分电阻区的动态本性）；

③ RTD的测量表明：在共振态时，RTD的C-V特性有一个电容峰；

④ RTD的交流测量表明：RTD中电子的渡越时间为60fs数量级，随着频率的增高，共振峰的强度将减小。

（5）RTD的重要应用（例）：

1970年初Esaki等即已经观察到并利用了谐振隧穿效应。但由于谐振下的隧穿电流密度较低等原因而一直未得到很好的应用。直到1980年代才在微电子-纳米电子器件中得到了较好的应用。

RTD的重要应用有如：①构成电子“选模器”；②构成谐振隧穿晶体管（RTT）和单电子晶体管（SET）；③与其他器件组成具有特殊性能的器件（如与HEMT组成三进制编码器的A/D变换器，在相同功率情况下，其速度要比GaAs-MESFET或耗尽型的CMOS近于快一倍）；④存储器件、发光器件等；⑤构成双势垒量子阱可变电抗器。这是异质结构势垒可变电抗器的一种，它具有对称的C-V特性和反对称的I-V特性，可获得高频的高次谐波，是一种很有前途的mm波和亚mm波信号源。