DE2607940A1 - Multiple layer semiconductor element with potential barriers - has trough layer between each two barrier layers with contacts for field application - Google Patents
Multiple layer semiconductor element with potential barriers - has trough layer between each two barrier layers with contacts for field applicationInfo
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Abstract
Description
Mehrschichtiges Halbleiterbauelement' Multi-layer semiconductor component '
Die Erfindung betrifft ein mehrschichtiges Halbleiterbauelement, in welchem aurch eine Folge von dünnen Schichten mit verschiedenen Leitungs- und/oder Valenzbandenergien, die beispielsweise zu versciiiedenen Lustandsdichten funren können, mindestens zwei eotentialbarriere, und ein dazwischenliegendes rotentialtal erzielt sind, wobei die Ladungsträger in dem Potentialtal quantisierte Zustande einnehmen können, deren energetische Lage mittels eines durch die Schichtenfolge im wesentlichen senkrecht hindurchtretenden longitudinalen elektrischen Arbeitsfeldes in einem Energiebereich veränderbar ist, der größer oder zumindest etwa gleich dem energetischen Abstand mindestens eines der quantisierten Talzustände von der Fermi-Energie der Ladungsträger einer an die äußeren Barrierenschichten angrenzenden Kontakteinrichtung zur anlegung des elektrischen Arbeitsfeldes ist, sodaß bei Ubereinstimmung mindestens eines der Energieniveaus der quantisierten Lustande mit der Fermi-Energie der Ladungstrager eines der kontakte zum Anlegen des Arbeitsfeldes ein longitudinaler Tunnelstrom fließen kann.The invention relates to a multilayer semiconductor component in which is a series of thin layers with different conduction and / or Valence band energies which, for example, result in different Lustand densities can, at least two potential barriers, and an intermediate rotary valley are achieved, the charge carriers in the potential valley quantized states can take their energetic position by means of a through the sequence of layers longitudinal electrical working field passing through essentially vertically is changeable in an energy range that is greater than or at least approximately equal to energetic distance of at least one of the quantized valley states from the Fermi energy the charge carrier of a contact device adjoining the outer barrier layers to apply the electrical working field, so that if they match at least one of the energy levels of the quantized Lustande with the Fermi energy of the charge carriers one of the contacts for creating the working field is a longitudinal tunnel current can flow.
Eine solche mehrschichtige Halbleiteranordnung ist aus der wissenschaftlichen Publikation "Applied Physics Letters", Vol. 24, No. 12, 15. Juni 1974 bekannt.Such a multilayer semiconductor device is from the scientific Publication "Applied Physics Letters", Vol. 24, No. June 12, 1974.
Das bekannte Bauelement ist in der Art einer Diode aufgebaut und weist zwei Barriereschichten aus Gallium-Aluminium-Arsenid (Ga1-xAlx-As) und dazwischen eine Talschicht aus Gallium-Arsenid (GaAs) auf.The known component is constructed in the manner of a diode and has two barrier layers made of gallium-aluminum-arsenide (Ga1-xAlx-As) and in between a valley layer of gallium arsenide (GaAs).
Die erste Ga1-xAlxAs-Schicht ist auf ein verhältnismäßig dickes, einkristallines n-leitendes GaAs-Substrat aufgebracht, dessen Elektronenkonzentration so hoch ist, daß die Fermi-Energie EF der Leitungaelektronen etwa bei 20 bis 50 meV liegt. Die Schichtdicken der Barriereschich-' ten liegen zwischen 40 und 80 # und die Schichtdicke der Talschicht bei etwa 40 bis 50 k. Auch an der Außenseite der zweiten Earriereschicht ist eine gegenuber der Dicke der Schichtenfolge dickere Schicht aus n-leitendea GaAs vorgesehen, die dieselbe Elektronenkonzentration wie das substrat aufweist, größenordnungsmäßig 1U18 cm-3 3. An den einander abgewandten Außenflächen des substrats und der zweiten n-leitenden GaAs-Schicht sind flächenhafte, Listallische Kontakte aufgedampft, an denen die Anschlußleitungen für die Anlegung des Arbeitsfeldes und zur Abführung des Tunnelstromes angeschlossen sind. Durch diese Schichtenfolge entsteht'ein dem normalen Gitterpotential, das die Pariodizität der Gitterkonstanten des GaAs-Wirts-Kristallmaterials aufweist, aufgeprägter rechteckwellenförmiger Verlauf des Potentials, das sich all den Übergängen zwischen den Barriereschichten und der Talschicht um die energetische Höhe der Potentialbarrieren von etwa U,4 bis 0,5 eV sprunghaft ändert. Die in der rechtwinklig zur Ebene der Schichten verlaufende x-Richtung gemessene Breite des Sotentialtales ist so groß gewählt, da in diesem quantisierte Elektronenzustände mit zwei verscniedenen Energien möglich sind, die energetisch erheblich oberhalb der Fermi-Energie der Elektroden in den n-leitenden GaAs-Schichten liegen; wenn sich die igenenergie der quantisierten Zustände des Botentialtales beträchtlich von EF unterscheidet, kann in der Schichtenfolge kein resonanter Tunnelstrom fließen, der eine Besetzung der quantisierten Zustände des Potentialtales ermöglicht. Der genannte rechteckwellenförmige Verlauf des Potentialprofils in der Schichtenfolge kann jedoch dadurch verändert werden, daß über die n-leitenden GaAs-Schichten an die Schichtenfolge eine spannung angelegt wird; eine zwischen der beispielsweise auf Erdpotential liegenden Substratschicht und der zweiten GaAs-Kontaktschicht angelegte positive Spannung hat dann zur Folge, daß sicll dem Potentialgebirge ein linearer Potentialabfall überlagert, derart, daß die vom Potentialwert der Substratschicht aus gemessene Barrierenhöhe in Richtung auf die auf positiver Spannung liegende und damit auf einem gegenüber dem bubstratpotential abgeseiikteu potential befindlichen äußeren sontaktschicht linear abnimmt; auch das Potential der schicht fällt dann in derselben Richtung linear ab und liegt im Mittel zwischen den Potentialen der beiden Kontaktschichten. insgesamt wird dadurch bei gleichem "Talvolumen" eine Absenkung des Potentials der GaAs-Talschicht erreicht, die dazu führt, daß auch die Energien der quantisierten Zustände relativ zum Potential der Substratschicht abgeseiikt werden.The first Ga1-xAlxAs layer is a relatively thick, single crystal n-type GaAs substrate applied, the electron concentration of which is so high, that the Fermi energy EF of the conduction electrons is around 20 to 50 meV. the Layer thicknesses of the barrier layers are between 40 and 80 # and the layer thickness the valley layer at about 40 to 50 k. Also on the outside of the second earring layer is a thicker layer of n-conductive a compared to the thickness of the layer sequence GaAs provided, which has the same electron concentration as the substrate, on the order of 1U18 cm-3 3. On the outer surfaces of the substrate facing away from one another and the second n-conducting GaAs layer are planar Listallic contacts vaporized, on which the connecting lines for the creation of the work area and are connected to discharge the tunnel current. This sequence of layers creates a the normal lattice potential, which is the pariodicity of the lattice constants of the GaAs host crystal material has, impressed rectangular wave-shaped course of the potential, which is all the transitions between the barrier layers and the valley layer around the energetic The height of the potential barriers changes by leaps and bounds from about U.4 to 0.5 eV. The one in the Width of the x-direction measured at right angles to the plane of the layers Sotentialtales is chosen so large that in this quantized electronic states with two different energies are possible, which energetically considerably above the Fermi energy of the electrodes are in the n-type GaAs layers; if the inherent energy of the quantized states of the botential valley is considerable differs from EF, no resonant tunnel current can flow in the layer sequence, which enables an occupation of the quantized states of the potential valley. Of the called square wave shape of the potential profile in the layer sequence can be changed, however, that over the n-type GaAs layers on a voltage is applied to the layer sequence; one between the example applied substrate layer lying at ground potential and the second GaAs contact layer positive voltage then has the consequence that sicll the potential mountain a linear Potential drop superimposed in such a way that the potential value of the substrate layer from measured barrier height in the direction of the positive voltage and thus at a potential which is lower than the substrate potential outer contact layer decreases linearly; the potential of the layer then also falls in the same direction and is on average between the potentials of both contact layers. overall, this results in a lowering with the same "valley volume" of the potential of the GaAs valley layer, which leads to the energies of the quantized states relative to the potential of the substrate layer will.
Zur genaueren Erläuterung der Eigenschaften eines solchen bauelements sei der Einfachheit halber davon ausgegangen, daß in dem Potentialtal nur ein quantisierter Zustand der Elektronen mit einer bestimmten Eigenenergie möglicn sei.For a more detailed explanation of the properties of such a component for the sake of simplicity, let us assume that there is only one quantized in the potential valley State of the electrons with a certain intrinsic energy is possible.
wird nun durch anlegen einer Spannung an die GaAs-Kontaktschichten in der geschilderten Weise eine Absenkung des Potentials über der Schichtenfolge erzwungen, so kann in Richtung der angelegten Spannung ein resonanter Tunnelstrom fließen, der einsetzt, sobald sich die Energie des quantisierten Zustandes mit der Fermi-Energie der Kontaktschicht-Elektronen innerhalb ihrer Breiten überlappt. Bei einer weiteren energetischen Absenkung des quantisierten Zustandes durch Erhöhen der angelegten Spannung gegenüber der auf Erdpotential liegenden bubstratschicht nimmt dann der resonante Tunnelstrom nach Durchlaufen eines Maximums, wenn Die Fermi-Energie und die Energie des quantisierten Zustandes etwa übereinstimmen, wieder ab una setzt aus, wenn das Energieniveau des quantisierten Zustandes bis weit unterhalb der Fermi-Energie der Substratschicht abgesenkt ist. Diese Abnahme rührt daher, daß es für den resonanten Tnnelstromprozess erforderlich ist, daß sowohl die Energie der tunnelnden Ladungsträger als auch deren Impuls quer zur Stromrichtung erhalten bleiben muß. wenn das Energieniveau des quantisierten Zustandes die Fermi-Energie der einen Kontaktschicht unterschritten hat, so setzt der Tunnelstrom jedoch nicht völlig aus, da nunmehr aufgrund des normalen Tunneleffektes ein mit steigender Spannung bzw. zunehmender Absenkung des Potentials exponentiell anwachsender Tunnelstrom fließen kann, der gleichsam einen Untergrundstrom darstellt, dem der resonante Tunnelstrom überlagert ist. Die Stärke dieses Tunnelstroms ist jedoch sehr gering und nimmt mit steigender Dicke der Barriereschichten und Höhe der Potentialbarrieren exponentiell ab.is now done by applying a voltage to the GaAs contact layers in the manner described, a lowering of the Potential over the Forced layer sequence, a resonant voltage can occur in the direction of the applied voltage Tunnel current flow, which begins as soon as the energy of the quantized state overlaps with the Fermi energy of the contact layer electrons within their widths. With a further energetic lowering of the quantized state by increasing it the applied voltage in relation to the substrate layer which is at ground potential the resonant tunneling current then increases after passing through a maximum if the Fermi energy and the energy of the quantized state roughly coincide, again from una off when the energy level of the quantized state is far below the Fermi energy the substrate layer is lowered. This decrease is due to the fact that it is for the resonant Tunnel current process is required that both the energy of the tunneling charge carrier as well as the momentum of which must be maintained across the direction of the current. when the energy level of the quantized state fell below the Fermi energy of one contact layer however, the tunnel current does not completely stop because it is now due to the normal Tunnel effect with increasing voltage or increasing lowering of the potential exponentially growing tunnel current can flow, which as it were an underground current represents, on which the resonant tunnel current is superimposed. The strength of this tunnel current however, it is very small and increases with increasing thickness of the barrier layers and The height of the potential barriers decreases exponentially.
Das bekannte Bauelement weist also ei Stromjßpannungskennlinie auf, die bei steigender Spannung, d. h. mit zunehmender Stärke des Arbeitsfeldes, zunächst sehr steil ansteigt, dann wieder steil abfällt und sodann wieder mehr oder weniger steil ansteigt.The known component thus has a current / voltage characteristic, which with increasing voltage, d. H. with increasing strength of the field of work, initially rises very steeply, then drops steeply again and then more or less again rises steeply.
Das bekannte Bauelement weist also einen Kennlinienverlauf mit einem Bereich mit negativem Widerstand auf, der es im Prinzip als Bauelement für Oszialltoren undjoder als Speicherelement geeignet erscheinen läßt. Als besonders günstig ist dabei anzusehen, daß die energetische Lage der quantisierten Elektronenzustände in dem otentialtal der Schichtenfolge durch geeignete räumliche Dimensionierung derselben und geeignete Wahl der Schichtenmaterialien nahezu beliebig wählbar ist. Eine weitere interessante Eigenschaft des bekannten Bauelements ist darin zu sehen, daß die resonanten Tunnelvorgänge, die zu einer Besetzung der quantisierten Zustände und damit zu dem Tunnelstrom führen können, sehr schnell ablaufen und nur mit einem sehr geringen Rauschen behaftet sind.The known component thus has a characteristic curve with a Area with negative resistance, which is basically a component for oscillating gates undjoder makes it appear suitable as a storage element. As is particularly cheap to see that the energetic position of the quantized electronic states in the potential valley of the layer sequence through suitable spatial dimensioning the same and suitable choice of the layer materials can be selected almost at will. Another interesting property of the well-known component can be seen in the fact that that the resonant tunneling processes that lead to an occupation of the quantized states and thus lead to the tunnel current, run very quickly and only with one have very little noise.
Trotz dieser an sich günstigen Eigenschaften des bekannten Bauelements sind bislang keine erfolgreichen Versuche bekannt geworden, eine technisch verwendbare Gestaltung eines solchen, mit resonantem Tunnelstrom arbeitenden Halbleiterbauelementes zu realisieren.Despite these inherently favorable properties of the known component So far, no successful attempts have become known, a technically usable one Design of such a semiconductor component working with resonant tunnel current to realize.
Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement der eingangs genannten Art zu schaffen, das für eine Vielzahl sehr verschiedener Zwecke einsetzbar ist, eine Integration in komplizierte integrierte Schaltunger ermöglicht, das bei gutem ignal/Rauschverhältnis günstige Hochfrequenzeigenschaften aufweist und dabei mit bekannten Verfahren der Halbleitertechnik mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand herstellbar ist.Accordingly, the invention is based on the object of a component of the type mentioned to create that for a variety of very different Can be used for purposes of integration into complicated integrated circuits enables the high-frequency properties to be favorable with a good signal-to-noise ratio has and at the same time with known methods of semiconductor technology with economical Can be produced at a reasonable cost.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß auf äußerst einfache Weise dadurch gelöst, daß die zwischen je zwei narriereschichten angeordnete Talschicht mit Kontakt einrichtungen versehen ist, mit denen an die Schichtenfolge ein dem nrbeitsfeld überlagertes longitudinales Zusatzfeld zur Beeinflussung der Energieniveaus der quantisierten Lustände und dadurch des resonanten Tunnelstromes anlegbar ist und/ oder ein zu dem Arbeitsfeld transversales elektrisches Zusatzfeld zur RrzeuguFg eines in dem Potentialtal vorhandene Ladungsträger abführenden transversalen Stromes anlegbar ist.According to the invention, this object is thereby achieved in an extremely simple manner solved that the valley layer arranged between each two narre layers is in contact facilities is provided with which to the sequence of layers in the working field superimposed longitudinal additional field to influence the energy levels of the quantized pleasure land and thereby of the resonant tunnel current can be applied and / or an additional electrical field transverse to the working field for generating a transverse charge carrier that is present in the potential valley Current can be applied.
Dieser Aufbau des erfindungsgemäßen Bauelementes vermittelt die folgenden, für seine Benutzung interessanten Eigenschaftens (a) Wählt man den Arbeitspunkt des erfindungsgemäßen Bauelements, der mittels des elektrischen Arbeitsfeldes einstellbar ist, in dem ersten ansteigenden Teil der Strom-Spannungskennlinie, so kann dieser Kennlinienbereich mittels einer an den zusätzlichen Kontakt einrichtungen der Talschicht angelegten Steuerspannung abgefahren werden. Das erfindungsgemäße Bauelement ist dann in der Art einer Triode als Verstärker nutzbar. Für die Einstellung des Arbeitspunktes erforderliche Widerstandselemente können dabei in einer üblichen monolithischen Bauweise mit dem Bauelement auf dem Substrat erzeugt sein.This structure of the component according to the invention provides the following, Properties of interest for its use (a) Choosing the working point of the component according to the invention, which can be adjusted by means of the electrical working field is in the first rising part of the current-voltage characteristic, this can Characteristic area by means of one of the additional contact devices of the valley layer applied control voltage. The component according to the invention is can then be used as an amplifier in the manner of a triode. For setting the operating point required resistance elements can be in a conventional monolithic Construction be produced with the component on the substrate.
(b) Wählt man den Arbeitspunkt durch geeignete Einstellung des Arbeitsfeldes und geeignete Dimensionierung der Widerstände auf dem abfallenden Ast der Strom-Spannungskennlinie, also im Bereich mit negativem Widerstand, so kann das erfindungsgemäße Bauelement in üblicher Weise als Oszillator verwendet werden. Ein an den Kontakteinrichtungen zum Anlegen des Arbeitsfeldes auftretendes Ausgangssignal kann dann über die Steuerkontakteinrichtung der Talschicht zurückgekoppelt werden. Ein solcher Oszillator kann wegen der günstigen kleinen Abmessungen des erfindAngagem&ßen Bauelements (- die Gesamtschichtdicke der Schichtenfolge beträgt nur wenige hundert # und die Durchmesser der wirksamen Elektrodenflächen zum Anlegen des Arbeitsfeldes liegen im -Bereich -) und aufgrund der Tatsache, daß der ohmsche Widerstand der Talschicht im Betrieb des Bauelements relativ klein werden kann, bei sehr hohen Frequenzen, d. h. weit im Tera-Hertz-Bereich, betrieben werden.(b) The working point is selected by setting the working field appropriately and suitable dimensioning of the resistances on the falling branch of the current-voltage characteristic, that is, in the area with negative resistance, the component according to the invention can can be used in the usual way as an oscillator. One at the contact facilities The output signal that occurs to create the working field can then be sent via the control contact device the valley layer are fed back. Such an oscillator can because of the cheap small dimensions of the inventive component (- the total layer thickness the sequence of layers is only a few hundred # and the diameter of the effective Electrode areas for creating the working field are in the range -) and due to the fact that the ohmic resistance of the valley layer during operation of the device can become relatively small, at very high frequencies, i.e. H. far in the Tera-Hertz range, operate.
(c) Ein Bauelement mit dem genannten Kennlinienverlauf, der qualitativ zumindest abschnittsweise demJenigen einer Tunneldiode entspricht, kann bei geeigneter Wahl eines Vorwiderstandes zumindest zwei verschiedene stabile Zustände einnehmen, die verschiedenen, an seinem Ausgang abgreifbaren Spaimuilgen entsprechen, je nachdem, ob sich der momentane Arbeitspunkt in dem ersten oder dem zweiten ansteigenden Kennlinienbereich befindet. Eine Veränderung des Zustandes kann durch einen über die Steuerelektrode angelegten Spannungsimpuls herbeigeführt werden. Ist das Bauelement zunächst in einem Zustand, in dem sich der Arbeitspunkt auf dem einer höheren Ausgangs spannung entsprechenden, zweiten ansteigenden Bereich der Kennlinie befindet, so führt ein an die Steuerelektrode angelegter negativer Spannungsimpuls geeigneter Größe dazu, daß das bauelement einen einer niedrigeren Ausgangs spannung entsprechenden Zustand mit dem Arbeitspunkt auf dem ersten ansteigenden Teil der Strom-Spannungskennlinie einnimmt. Wird umgekehrt ein Spannungsimpuls angelegt, der den Arbeitspunkt zu noch höheren Werten der Ausgangsspannung und des Stromes auf der Strom-Spanungskennlinie verschieben würde, so iut der Zustand, den das Bauelement nach dem Abklingen dieses Upannungsimpulses einnimmt, derselbe wie zuvor. Durch Anlegen eines Ypannungsimpulses, der eine solche Stärke hat, daß er das Bauelement aus dem ersten stabilen Zustand in den zweiten stabilen Zustand überführen könnte, kann daher festgestellt werden, in welchem Zustand sich das Bauelement vor Anlegen dieses Spannungsimpulses befunden hat, Je nachdem, ob das Bauelement seinen Zustand beibehalten hat oder nicht.(c) A component with the characteristic curve mentioned, the qualitative at least partially corresponds to that of a tunnel diode, if suitable Choice of a series resistor take at least two different stable states, the different spaimuilgen that can be tapped at its output correspond, depending on whether the current operating point is in the first or the second increasing characteristic curve range is located. A change in the state can be achieved by using the control electrode applied voltage pulse are brought about. If the component is initially in a state in which the operating point is at that of a higher output voltage corresponding, second increasing area of the characteristic is located, it introduces negative voltage pulse of suitable magnitude applied to the control electrode, that the component is in a state corresponding to a lower output voltage with the operating point on the first rising part of the current-voltage characteristic occupies. If, on the other hand, a voltage pulse is applied, the operating point is still higher output voltage and current values on the current-voltage characteristic would shift, so iut the state that the component after this decay Voltage impulse, the same as before. By applying a voltage pulse, which has such a strength that it removes the component from the first stable state in the second stable state could therefore be established the state in which the component is before this voltage pulse is applied has found, depending on whether the component has retained its state or not.
Ist andererseits bekannt, in welchem Zustand sich das Bauelement vor Anlegen eines Spannungsimpulses geeigneter absoluter Größe befunden hat, eo läßt sich anhand des Zustandes des Bauelementes nach dem Anlegen des Spannungsimpulses feststellen, welche Polarität die ser Spannungsimpuls gehabt hat. On the other hand, it is known in which state the component is before applying a voltage pulse has found a suitable absolute magnitude, eo can be determined on the basis of the state of the component after the voltage pulse has been applied determine which polarity this voltage pulse has had.
(d) Ist ein Arbeitsfeld mit bestimmter Stärke an das erfindungsgemäße Bauelement angelegt, die aber noch nicht zu einem nennenswerten Tunnelstrom in Richtung dieses Feldes führt und wird an die zusätzliche Steuerelektrode der Talschicht ein Zusatzfeld, entweder in der Art eines Spannungsimpulses oder in der Art eines sich dem Arbeitsfeld überlagernden Gleichfeldes angelegt, so tritt ein Zustand mit erheblich erhöhter Tunnelleitfähigkeit nur dann ein, wenn dieses Zusatzfeld eine bestimmte Mindestfeldstärke aufweist. Bei welcher Stärke des Zusatzfeldes eine Erhöhung des Tunnelstromes auftritt , hängt davon ab, welchen energetischen Abstand die quantisierten Zustände des Potentialtals von der Fermi-Energie des n-leitenden Substrats aufweisen und/ oder wie groß die Stärke des Arbeitsfeldes gewählt worden ist. Durch Vorgabe des energetischen Abstandes der quantisierten Ladungsträgerzustände von der Fermi-Energie des Substrats und/oder durch eine bestimmte Einstellung des Arbeitsfeldes läßt sich daher mit Hilfe des erfindungagemäßen Bauelements auf einfache Weise eine Spannungsdiskriminierung erreichen. Von besonderem Vorteil ist dabei, daß sich die energetischen Abstände der quantisierten Zustände von der Fermi-Energie des Substrats durch Wahl der Schichtdicke der Barrieren-und Talschichten, des Schichtenmaterials undjoder der Ladungsträgerkonzentration, in weiten Bereichen einstellen lassen, da man diese Parameter bei der Herstellung gut kontrollieren kann. Eine Anzahl erl'indungsgemäßer Bauelemente kann dann so ausgelegt werden, daß sie bei gleichem angelegten Arbeitsfeld bei sehr verschieaenen und ggf. äquidistant abgestuften Uteuerspannungen von einem hochohmigen in einen niederohmigen Zustand übergehen. Diese Eigenschaften lassen sich beispielsweise in Analog-Digital-Wandlern ausnutzen, mit denen der Verlauf eines Spannungs- oder Stromsignals abgetastet und digitalisiert werden soll.(d) Is a field of work with a certain strength to the invention Component created, but this has not yet resulted in a significant tunnel current in the direction of this field leads and is applied to the additional control electrode of the valley layer Additional field, either in the form of a voltage pulse or in the form of a self applied to the working field superimposed constant field, then a condition occurs with considerable increased tunnel conductivity only if this additional field has a certain Has minimum field strength. At what strength of the additional field an increase in the Tunnel current occurs, depends on the energetic distance the quantized Have states of the potential valley from the Fermi energy of the n-type substrate and / or how great the strength of the field of work has been chosen. By default the energetic distance of the quantized charge carrier states from the Fermi energy of the substrate and / or by a certain setting of the working field can therefore, with the aid of the component according to the invention, a voltage discrimination in a simple manner reach. It is of particular advantage that the energetic distances of the quantized states of the Fermi energy of the Substrate by choosing the layer thickness of the barrier and valley layers, the layer material and each of the charge carrier concentration can be set within wide ranges, because these parameters can be easily controlled during manufacture. A number of those in accordance with the invention Components can then be designed so that they work with the same applied field with very different and possibly equidistantly graduated control voltages of one high resistance to transition to a low resistance state. Let these properties can be used, for example, in analog-to-digital converters with which the course a voltage or current signal is to be sampled and digitized.
(e) Aufgrund des ausführlich diskutierten Verlaufs der Strom-Spannungskennlinie des erfindungsgemäßen Bauelements ist auch eine Anwendung als Speicherlelement ohne weiteres möglich, wobei im Gegensatz zu üblichen Diodenspeichern, die als Festwertspeicher ausgebildet sind, durch die zusätzlichen Kontakteinrichtungen auch die Möglichkeit besteht, den Speicherinhalt zu ändern, d. h. einen schreibbaren Speicher aufzubauen.(e) Due to the extensively discussed course of the current-voltage characteristic the component according to the invention can also be used as a storage element without further possible, whereby, in contrast to conventional diode memories, the read-only memory are formed, through the additional contact devices also the possibility consists in changing the memory contents, d. H. to build a writable memory.
(f) Der Leitungszustand, in dem sich das erfindungsgemäße Bauelement befindet, läßt sich auch mit Hilfe derjenigen Kontakteinrichtungen der Talschicht abfragen, mit denen ein zu dem Arbeitsfeld transversaies elektrisches Feld an die Talschicht der bchichtenfolge anlegbar ist.(f) The conduction state in which the component according to the invention is located, can also be with the help of those contact devices of the valley layer query with which an electrical field transversaies to the work field to the Valley layer of the layer sequence can be created.
Ist das Bauelement in einem Zustand, in dem ein resonanter Tunneistrom fließt, so ist die Elektronenkonzentration in der Talschicht verhältnismäßig hoch, weil die Elektronen, die aufgrund des resonanten Tunneleffektes in die Talschicht gelangt sind, aufgruna Ihrer Welleneigenschaft zwischen den Potentialbarrieren gleichsam hin- und herreflektiert werden. Im Gleichgewichtszustand tunneln dabei ebensoviele Elektronen in die Talschicht hinein, wie aus dieser durch die zweite Potentialbarriere austreten können, wobei sich dieser Gleichgewichtszustand erst bei einer Elektronenkonzentration in der Talschicht einstellt, die zehn- bis hundertmal so groß sein kann, wie die ursprüngliche Elektronenkonzentration der Talschicht. Is the component in a state in which a resonant tunnel current flows, the electron concentration in the valley layer is relatively high, because the electrons, due to the resonant tunnel effect, enter the valley layer have reached, aufgruna Your wave property between the potential barriers be reflected back and forth, as it were. Tunneling in a state of equilibrium just as many electrons into the valley layer as from this one through the second Potential barrier can emerge, whereby this state of equilibrium is only adjusts at an electron concentration in the valley layer that is ten to a hundred times can be as great as the original electron concentration of the valley layer.
Die Schichtenfolge verhält sich also in bezug auf Elektronen etwa wie ein Fabry-'erot-Resonator für elektromagnetische Wellen. Lurch die erhöhte Elektronenkonzentration nimmt die Leitfähigkeit der Talschicht in transversaler Richtung erheblich zu, und es ist daher möglich, durch Anlegen einer auch verhältnismäßig kleinen Querspannung an die Talschicht, aus dieser wenigstens kurzzeitig einen transversalen Strom herauszuziehen, mit dem somit ebenfalls der Leitzustand des erfindungegemäßen Bauelements abgefragt werden kann. The sequence of layers behaves roughly in relation to electrons like a Fabry-Erot resonator for electromagnetic waves. Lurch the increased electron concentration the conductivity of the valley layer increases considerably in the transverse direction, and it is therefore possible by applying a relatively small transverse voltage to the valley layer to draw a transverse current from it at least for a short time, with which thus also the conducting state of the component according to the invention is queried can be.
Ein Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 2 ist speziell dafür ausgebildet, die Besetzung von Zuständen der Talschicht mittels des resonanten Tunneleffektes zur Erzeugung eines transversalen Stromes auszunutzen. Die erforderliche Erniedrigung des Potentials der Talschicht wird durch das Anlegen einer Spannung zwischen der Talschicht und mindestens einer der an die arrirschichten angrenzenden Kontaktschichten erreicht, die beide auf gleichem Potential sein können, sodaß beispielswei.e ein bezüglich der Mittelebene der Talschicht symmetrischer Potentialverlauf in der Schichtenfolge erzielt wird. Das Anlegen der transversalen Spannung führt dann zu einem transversalen Strom, der bei vorgegebenem Wert der traiisversalen Spannung qualitativ dieselbe Abhängigkeit von der Potentialdifferenz zwischen der Talschicht und den Kontaktschichten zeigt, wie der longitudinale Strom ix des mit einem über die gesallte Schichtenfolge gleichsinnig gerichteten longitudinalen Arbeitsfeld arbeitenden Bauelements von der über den äußeren Kontaktschichten angelegten Spannung.A component with the features of claim 2 is specifically for this formed, the occupation of states of the valley layer by means of the resonant tunnel effect to use to generate a transverse current. The necessary humiliation the potential of the valley layer is determined by applying a voltage between the Valley layer and at least one of the contact layers adjoining the arrir layers achieved, both of which can be at the same potential, so that for example a symmetrical potential profile in the layer sequence with respect to the middle plane of the valley layer is achieved. The application of the transverse tension then leads to a transverse tension Current that is qualitatively the same for a given value of the traiisversal voltage Dependence on the potential difference between the valley layer and the contact layers shows how the longitudinal current ix des with an over the entire sequence of layers in the same direction, longitudinal working field working component from the voltage applied across the outer contact layers.
Jedoch ist bei dem Bauelement nach dem Anspruch 2 bei vorgegebener Querspannung der transversale. Strom jz größer, da die durch die Barriereschichten in longitudinaler Richtung fließenden, resonanten Tunnelströme entgegengesetzt gerichtet sind und sich gerade aufheben können, sodaß für den transversalen Strom jz alle in die Talschicht tunnelnden Ladungsträger zur Verfügung stehen. Es kommt hinzu, daß über beide Barriereschichten Ladungsträger in die Talschicht tunneln können, da sich die Zustände des Sotentialtals mit beiden Fermi-Niveaus der Lontaktschichtell überlappen können.However, in the case of the component according to claim 2, it is predetermined Transverse tension of the transversal. Current jz larger, since that through the barrier layers In the longitudinal direction flowing, resonant tunnel currents directed in opposite directions are and can just cancel each other out, so that for the transverse stream jz all Carriers tunneling into the valley layer are available. In addition, that charge carriers can tunnel into the valley layer through both barrier layers, because the states of the potential valley with both Fermi levels of the contact layer can overlap.
zur das Zustandekommen des resonanten Tunneleffektes ist es von erheblicher Bedeutung, daß die mittlere freie Reglänge der Elektronen kleiner ist als die Gesamt schichtdicke der für den Potentialverlauf verantwortlichen Barrieren- und Talschichten. Nur wenn diese Bedingung erfüllt ist, ist gewährleistet, daß der resonante Tunneleffekt, der für den speziellen Strom-Spannungskennlinienverlauf des ertindungsgemäßen Bauelements notwendig ist, nicht gestört ist.it is of considerable importance for the creation of the resonant tunnel effect Meaning that the mean free length of the electrons is smaller than the total layer thickness of the barrier and valley layers responsible for the potential curve. Only if this condition is met is it guaranteed that the resonant tunnel effect, that for the special current-voltage characteristic curve of the component according to the invention is necessary, is not disturbed.
Es ist auch anzumerken, daß die für aen resonanten Tunnelprozess erforderliche erhaltung der energie und des transversalen Impulses der die quantisierten Zustände des Potentialtales besetzenden Ladungsträger auch zu einem erheblichen Teil durch die Wechselwirkung der thermisch angeregten Gitterschwingungen mit den Ladungsträgern erfolgen kann, wobei die Einstellzeit des thermischen Gieichgewichts für die Elektron-Phonon-Wechselwirkung in der Größenordnung von 10-11 bis 10-15 sec beträgt. Diese Wechselwirkung hat zur Folge, daß der resonante Tunneiprozess bereits einsetzen kann, wenn die Eigenenergie der quantislerten Zustande noch etwas größer ist als die Fermi-Energle der Ladungsträger der Kontaktschichten und noch annait, wenn die Energie der quantisierten Zustände Di unter Lit3 Fermi-Energie abgesenkt worden ist.It should also be noted that this is required for a resonant tunneling process preservation of the energy and the transverse momentum of the quantized states of the potential valley occupying charge carriers also to a considerable extent the interaction of the thermally excited lattice vibrations with the charge carriers can take place, the settling time of the thermal equilibrium for the electron-phonon interaction is on the order of 10-11 to 10-15 seconds. This interaction has to The result is that the resonant tunnel process can already start when the self-energy of the quantized states is somewhat larger than the Fermi energies of the charge carriers of the contact layers and still annait when the energy of the quantized states Di has been lowered below Lit3 Fermi energy.
Weitere, durch die Merkmale der Unteransprüche erzielbare Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Bauelements sind die folgenden: Durch die Merkmale des Anspruchs 3 erzielt man eine Gestaltwg des Bauelements, die ggf. ausschließlich nach den Hochvakuum-Epitaxie-Verfahren herstellbar ist.Further properties that can be achieved through the features of the subclaims and advantages of the component according to the invention are as follows: By the features of claim 3 one achieves a design of the component, which may be exclusively can be produced by the high vacuum epitaxy process.
Durch das Nerkmal des Anspruchs 4 wird das Substrat unmittelbar als Trägerschicht für die Metallelektrode der Talschicht ausgenutzt, was eine besonders stabile Ausbildung des Bauelements ermöglicht. Die metallischen Kontakte können dann schon aufgebracht sein, bevor die Barriereschichten und die Talschicht auf das Substrat aufgedampft werden.By the Nerkmal of claim 4, the substrate is directly as Carrier layer used for the metal electrode of the valley layer, which is a special enables stable construction of the component. The metallic contacts can then already be applied before the barrier layers and the valley layer on the substrate can be vapor-deposited.
Durch das Merkmal des Anspruchs 5 läßt sich eine dicke zweite Kontaktschicht aus halbleitendem Material vermeiden und damit die Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelements vereinfachen.The feature of claim 5 allows a thick second contact layer Avoid of semiconducting material and thus the production of the invention Simplify component.
In den Ansprüchen 6 - 12 sind verschiedene Materialien angegeben, die für die Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelements geeignet sind.In claims 6 - 12 different materials are specified, which are suitable for the production of the component according to the invention.
in den Ansprüchen 13 - 17 sind verschiedene Möglichkeiten angegeben, wie durch Variation der Abmessungen und/oder der isterialien der Schichtenfolge die energetische Lage mehrerer quantisierter Zustände der Ladungsträger in der Talschicht gezielt beeinflußt werden kann.in claims 13-17 different possibilities are given, such as by varying the dimensions and / or the isterialien of the layer sequence the energetic position of several quantized states of the charge carriers in the valley layer can be specifically influenced.
Weitere Einzelheiten und Nerkmaie der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt: Fig. 1 Ein erfindungsgemäßes Bauelement mit Kontakteiririchtungen zum Anlegen eines Arbeitsfeldes an die Schichtenfolge und zum Anlegen einer Steuerspannung sowie einer dazu transversalen Spannung an die Talschicht, Fig. 2 das Potentialprofil des Bauelements nach der Fig. 1 im feldfreien Fall, Fig. 2 das Potentialprofil des Bauelements nach der Fig.Further details and Nerkmaie of the invention emerge from the following description of exemplary embodiments based on the drawing. It shows: Fig. 1 A component according to the invention with contact devices for creating a working field to the sequence of layers and to apply a control voltage and a transverse to it Voltage to the valley layer, Fig. 2 shows the potential profile of the component after 1 in the field-free case, FIG. 2 shows the potential profile of the component according to FIG.
1 mit angelegtem Arbeitsfeld, Fig. 4 die Abhängigkeit des longitudinalen Tunnelstroms j von der zur Erzeugung des Arbeitsfeldes A axlgelegten Spannung V, Fig. 5 Strom-Spannungskennlinien eines Bauelements mit zwei verschiedenen Eigenenergien der quantisierten Zustände de für verschiedene Werte der Steuerspannung, Fig. 6 die Strom-Spannungskennlinie des Bauelements nach der Fig. 1 für verschiedene Werte des hrbeitsfeldes, Fig. 7 eine mit einem Bauelement nach der Fig. 1 aufgebaute, in integrierter Bauweise herstellbare Verstärkerschaltung, Fig. 8 die Mitabhängigkeit eines durch Anlegen einer Spanung VT an die Talschicht des Bauelements nach der Fig. 1 erzielbaren, transversalen Tunnelstromes jz, von der Zeit, Fig. 9 ein erfindungsgemäßes Bauelement mit drei Barriereschichten und zwei Talschichten und diesen zugeordneten Kontakt einrichtungen, Fig. 10 u. Fig. 11 Potentialprofile verschieden dimensionierter nauelemente nach der Fig. 9 im feldfreien Fall und Fig. 12 das Potentialprofil des Bauelements nach der pig. 1, wenn lediglich an die Talschicht eine Steuerspannung VG angelegt ist. 1 with the working field applied, FIG. 4 the dependence of the longitudinal Tunnel current j from the voltage V applied to generate the working field A axl, 5 current-voltage characteristics of a component with two different natural energies of the quantized states de for different values of the control voltage, FIG. 6 the current-voltage characteristic of the component according to FIG. 1 for different values of the working field, Fig. 7 a built up with a component according to Fig. 1, Amplifier circuit which can be produced in an integrated construction, FIG. 8 the co-dependency one by applying a voltage VT to the valley layer of the device after the Fig. 1 achievable, transverse tunneling current jz, from the time, Fig. 9 an inventive Component with three barrier layers and two valley layers and associated therewith Contact devices, Fig. 10 and Fig. 11 differently dimensioned potential profiles Precision elements according to FIG. 9 in the field-free case and FIG. 12 the potential profile of the Component according to the pig. 1, if only to the valley layer a control voltage VG is created.
Das in der Fig.1 dargestellte erfindungsgemaße Bauelement 16 umfaßt eine Schientenfolge aus drei sandwichartig übereinander angeordneten planparallelen, dünnen Schichten, die zwischen kontakteinrichtung 21 una 22 angeordnet sind, mit deren Hille sich in der zur Ebene der Schichtenfolge senkrechten x-Richtung ein im folgenden ais longitudinales Arbeitsfeld bezeichnetes, durch den Pfeil @ der Fig. 1 symbolisiertes elektrisches Feld anlegen laßt. Die eine kontakteinrichtung 21 umfaßt eine dicke, einkristalline Substratschicht 23 aus n-leitendem GaAs-Material, das auch den mechanischen Träger lür die Schichteniolge bildet. Die Ladungsträgerkonzentration der GaAs-Schicht liegt in der Größenordnung von 1018 Elektronen/cm3. Die in der Fig. 1 unterste Schicht 17 der Schichtenfolge 17, 18, 19 besteht aus Gaa-xAlxAs-Material Mit sehr niedriger Elektronenkonzentration und ist im Hochvakuum-Epitaxie-Verfahren auf die dicke Substratschicht 23 aufgebracht. An diese Ga1-xAlxAs-Schicht schließt sich nach oben eine dünne schicht 1 S aus GaAs-Material an, derenn Ladungstragerkonzentration etwa zehnmal niedriger ist als diejenige der Substratschicht 23.The component 16 according to the invention shown in FIG. 1 comprises a series of rails consisting of three plane-parallel, sandwich-like, one on top of the other, thin layers which are arranged between contact device 21 and 22 with whose help is in the x-direction perpendicular to the plane of the layer sequence hereinafter referred to as the longitudinal field of work, by the arrow @ the Fig. 1 let apply symbolized electric field. The one contact device 21 comprises a thick, monocrystalline substrate layer 23 made of n-conducting GaAs material, which also forms the mechanical support for the layers. The carrier concentration of the GaAs layer is of the order of 1018 electrons / cm3. The one in the Fig. 1 lowermost layer 17 of the layer sequence 17, 18, 19 consists of Gaa-xAlxAs material With a very low electron concentration and is in the high vacuum epitaxy process applied to the thick substrate layer 23. This Ga1-xAlxAs layer connects A thin layer 1 S of GaAs material forms on top, the charge carrier concentration of which is about ten times lower than that of the substrate layer 23.
Auf diese GaAs-Schicht 18 folgt wiederum eine Ga1-xAlxAs-Schicht 19 mit derselben niedrigen Eicktronenkonzentration wie die der anderen Ga1-xAlxAs-Schient 1 t. Auf die oberste Ga1-xAlxAs-Schicht ist eine die eine Kontakteinrichtung 22 bildende metallische Schicht aus CillLr Gold-Germaniumlegierung aufgedampft. Ebenso ist auf der der Schichtenfolge 17, 16, 19 abgewandten Seite der Substratschicht 23 eine metallische Kontaktschicht 24 aus Gold-Germanium aufgebracht.This GaAs layer 18 is in turn followed by a Ga1-xAlxAs layer 19 with the same low electron electron concentration as that of the other Ga1-xAlxAs rail 1 t. One contact device 22 is placed on the uppermost Ga1-xAlxAs layer forming metallic layer of CillLr gold-germanium alloy vapor-deposited. as well is on the side of the substrate layer facing away from the layer sequence 17, 16, 19 23 a metallic contact layer 24 made of gold-germanium is applied.
Weiter sind an voneinander entfernten, einander gegenüber liegenden Randbereichen der Schichtenfolge 17, 18, 19 metallische Kontaktblöcke oder -streifen 26 und 27 aus Gold-Germanium angeordnet, deren mechanischer Trager ebenfalls die dicke Substratschicht 23 ist. Die mit der GaAs-Zwischenschicht 18 der Schichtenfolge 17, 18, 19 in Onmschem kontakt stehenden Kontaktblöcke 26 und 27 sind gegenuber der oberen kontaktschicht 22 durch äußere Randbereiche 28 und 29 der äußeren Ga1-xAlxAs-Schicht 19 hinreichend elektrisch isoliert.Next are at distant, opposite one another Edge areas of the layer sequence 17, 18, 19 metallic contact blocks or strips 26 and 27 arranged from gold germanium, the mechanical carrier also the thick substrate layer 23 is. The one with the GaAs intermediate layer 18 of the layer sequence 17, 18, 19 in onmschem contact standing contact blocks 26 and 27 are opposite the upper contact layer 22 by outer edge areas 28 and 29 of the outer Ga1-xAlxAs layer 19 is sufficiently electrically insulated.
Gegenüber der anderen metallischen Kontaktschicht 24, die zusammen mit der Substrat schicht 23 die eine Kontakteinrichtung für die Schichtenfolge bildet, sind die Kontaktblöcke 26 und 27 durch jeweils einen lottenförmigen-Be' reich 31 bzw. 32 aus sehr hochohmigem GaAs-Naterial isoliert, das durch Gegendotierung des n-leitenden GaAs-Substratmaterials beispielsweise durch Eindiffundieren von Germanium gebildet worden ist. Die Kontaktschichten 22 und 24 und die Kontaktblöcke 26 und 27 sind mechanisch und elektrisch fest mit Anschlußfahnen oder Drähten 35, 36, 37, 58 und 39 zur Beschaltung mit weiteren Bauelementen und/oder zur Zuführung von Speise- und/oder Steuerspannungen versehen. Die Dicke der Ga1-xAlxAs-Schichten 17 und 19 und der dazwischen angeordneten GaAs-Schicht 18 kann zwischen 20 und 100 # betragen und ist vorzugsweise so gewählt, daß die Gesamtdicke der Schichtenfolge 17, 18, 19 kleiner ist als die mittlere freie Weglänge der Elektronen von etwa 1 000 # in dem gewählten GaAs-Material. Der rechtwinklig zur x-Richtung gemessene mittlere Durchmesser der Schichtenfolge 17, 18, 19 und der oberen und unteren Kontaktschicht 22 und 24 beträgt zwischen 1 und 10j£. Die Schichtdicke des Substrats liegt im Zehntelmillimeterbereich und beträgt vorzugsweise 1/10 bis 5/10 mm.Compared to the other metallic contact layer 24, which together with the substrate layer 23 which forms a contact device for the layer sequence, the contact blocks 26 and 27 are rich 31 each by a solder-shaped area 31 or 32 isolated from very high-resistance GaAs material, which is produced by counter-doping the n-type GaAs substrate material, for example by diffusing germanium has been formed. The contact layers 22 and 24 and the contact blocks 26 and 27 are mechanically and electrically fixed with connecting lugs or wires 35, 36, 37, 58 and 39 for wiring with other components and / or for supplying supply and / or control voltages. The thickness of the Ga1-xAlxAs layers 17 and 19 and the interposed GaAs layer 18 may be between 20 and 100 # and is preferably chosen so that the total thickness of the layer sequence 17, 18, 19 is smaller than the mean free path of the electrons of about 1,000 # in the selected GaAs material. The mean measured at right angles to the x-direction Diameter of the layer sequence 17, 18, 19 and the upper and lower contact layer 22 and 24 is between £ 1 and £ 10y. The layer thickness of the substrate is in the tenths of a millimeter and is preferably 1/10 to 5/10 mm.
Durch den geschilderten Aufbau des erfindungsgemäßen Bauelements 16 entsteht qualitativ der in der Fig. 2 dargestellte Verlauf der Übergangspotentiale, mit einer an dem Fermi-See 41, der energetisch bis zur Fermi-Energie EF aufgerollt ist, angrenzenden ersten Potentialbarriere 42, auf die in der x-Richtung ein Potentialtal 43 folgt, an das sich eine zweite Potentialbarriere 44 anschließt, an die der Fermi-See 46 der nach der Fig. 1 obersten oder äußersten Kontaktschicht 22 angrenzt. Der in der Fig. 2 dargestellte, rechteckwellenförmige Verlauf des Übergangspotentials der Schichtenfolge 17, 18, 15 liegt dann vor, wenn sich sowohl die Substratschicht 23 als auch die oberste kontakt schicht 22 auf gieichem potential, in der Darstellung der Bigr. 2 also auf Erdpotential, befinden. Die Lage der Fermi-Energie, d.h. der Energie, bis zu welcher die von den Leitungselektronen eingenommenen Zustände des Substrats 23 besetzt sind, beträgt bei der genannten Ladungstlagerkonzerltration von etwa 1018 cm-3 in der n-leitenden Qaks-Substratschicht 23 etwa 40 meV. Die in der x-Bichtung gemessenen Breiten bl und b2 der Botentialbarrieren 42 und 44 entsprechen den Schichtdicken der Ga1 xAlxAs-Barriereschichten. Ebenso entspricht die Breite b3 des Sotentialtales 43 der Schichtdicke der GaAs-Zwischenschicht 18. Die energetische Höhe der Potentialbarrieren 42 und 44 hängt von der Austrittsarbeit der Elektronen in den Barriereschichten ab und beträgt etwa 0,4 eV. Die Fig. 2 ist nicht maßstäblich gezeichnet. Bei den genannten Schichtdicken der Schichtenfolge 17, 18, 19 und der energetischen Höhen der Potentialbarrieren 42 und 43 können in der Talschicht 43 Elektronen in quantisierten Zuständen existieren, die durch die beiden, durch waagrechte Striche 47 und 48 bezeichneten Energieniveaus mit den Eigenenergien El und E2 angedeutet sind, die beide energetisch erheblich höher liegen als die Fermi-Energie EF der Elektronen des Fermi-dees 41 der Substratschicht 23, sodaß sie auch nicht aufgrund des resonanten Tunneleffektes von Elektronen der Kontakteinrichtungen 21 und 22 und/ oder der Barriereschichten 17 und 19 besetzt werden können.Due to the described structure of the component 16 according to the invention qualitatively the course of the transition potentials shown in FIG. 2 arises, with one at the Fermi lake 41, which energetically rolled up to the Fermi energy EF is, adjacent first potential barrier 42, on which a potential valley in the x-direction 43 follows, which is followed by a second potential barrier 44, to which the Fermi lake 46 adjoins the topmost or outermost contact layer 22 according to FIG. 1. The in 2 shown, rectangular wave-shaped Course of the transition potential the layer sequence 17, 18, 15 is present when both the substrate layer 23 as well as the top contact layer 22 at the same potential, in the illustration the Bigr. 2 are on earth potential. The position of the Fermi energy, i.e. the Energy up to which the states of the Substrate 23 are occupied, is in the aforementioned charge storage concentration of about 1018 cm-3 in the n-type Qaks substrate layer 23 about 40 meV. In the the widths bl and b2 of the botential barriers 42 and 44 measured in the x-direction correspond the layer thicknesses of the Ga1 xAlxAs barrier layers. Likewise, the width corresponds b3 of the potential valley 43 of the layer thickness of the GaAs intermediate layer 18. The energetic The height of the potential barriers 42 and 44 depends on the work function of the electrons in the barrier layers and is about 0.4 eV. Fig. 2 is not to scale drawn. With the mentioned layer thicknesses of the layer sequence 17, 18, 19 and the The energetic heights of the potential barriers 42 and 43 can be in the valley layer 43 Electrons exist in quantized states through the two, through horizontal Lines 47 and 48 denote energy levels with the intrinsic energies E1 and E2 are both energetically considerably higher than the Fermi energy EF of Electrons of the Fermi-dees 41 of the substrate layer 23, so that they are not due to the resonant tunnel effect of electrons of the contact devices 21 and 22 and / or the barrier layers 17 and 19 can be occupied.
Wenn jedoch all der äußeren Kontaktschicht 22 des Bauelements 16 eine gegenüber der metallischen Kontaktschicht 24 des Substrats 23 positive Spannung V angelegt wird, so wird das Potential der Elektronen der äußeren metallischen Kontaktschicht 22 abgesenkt und der Potentialverlauf in der Schichtenfolge 17, 18, 19 in der in der Fig. 3 dargestellten Weise in x-Richtung stetig abfallend abgeändert, wobei auch die Fnergieniveaus El und E2 gegenüber ihrer ursprünglichen energetischen Lage in der in der Fig. 3 durch die gestrichtelten Linien 47' und 48' veranschaulichten Weise abgesenkt werden. Da ein resonanter Tunnelstrom nur dann fließen kann, wenn die Energieniveaus El und E2 der quantisierten Zustände 47 und 48 innerhalb ihrer energetischen Breite mit der Fermi-Energie der Elektronen der Substrats schicht 23 übereinstimmen, ist es, um einen in der x-Richtung fließenden resonanten Tunnelstrom durch Anlegen der Sparnung V zu erzielen, notwendig, die Spannung so grob zu zählen, daß die beiden Energieniveaus E1 und E2 hinreichend weit abgesenkt werden können. Die hierfür erforderlichen Feldstärken des longitudinalen Arbeitsfeldes A liegen im Bereich 10 000 V/cm und können somit in Anbetracht Ger Dimensionen des Baueleuents 16 in x-Richtung durch Spannungen im V-Bereich erreicht werden.However, if all of the outer contact layer 22 of the component 16 is a with respect to the metallic contact layer 24 of the substrate 23, positive voltage V is applied, the potential of electrons becomes the outer metallic contact layer 22 lowered and the potential curve in the Layer sequence 17, 18, 19 in the manner shown in FIG. 3, modified continuously falling in the x direction, whereby the energetic levels El and E2 compared to their original energetic Position in the illustrated in Fig. 3 by the dashed lines 47 'and 48' Way to be lowered. Since a resonant tunnel current can only flow if the energy levels E1 and E2 of the quantized states 47 and 48 within them energetic width with the Fermi energy of the electrons of the substrate layer 23 coincide, it is a resonant tunnel current flowing in the x-direction to achieve by applying the savings V, necessary to count the voltage so roughly, that the two energy levels E1 and E2 can be lowered sufficiently. The field strengths of the longitudinal working field A required for this are in the range of 10 000 V / cm and can therefore take into account Ger dimensions of the Baueleuents 16 in the x-direction can be achieved by voltages in the V range.
Wird die über die Kontakteinrichtungen 23, 24 und 22 angelegte Spannung sukzessive vergrößert und dadurch die stärke des in x-Richtung wirkenden Arbeitsfeldes A stetig erhöht, sodaß mindestens das untere Energieniveau El gemäß der in der Fig. 2 und 3 bis unter die Fermi-'nergie EF der bubstlatelektronen abgesenkt wird, so ergibt sich wer in der Fig. 4 dargestellte Verlauf des Tunnelstrom j x in Abhängigkeit von der angelegten spannung V der Tunnelstrom jx setzt bei einer Schwellenwertspannung Vtii ein, steigt dann in einem ersten Spannungsbereich zwischen den Spannungen Vth und VEl bis zu einem iaximalwert jmax V an, um. sodann mit steigender Spannung TV wieder bis zu einem alwert min bei der pannung Vm abzufallen und anschließend wieder anzusteigen. Dieser erneute Anstieg ist dann zunächst durch den normalen, nicht resonanten Tunneleffekt bedingt, der exponentiell von der Breite und der energetischen Höhe der Potentialbarrieren 42 und 44 abhängt und dem für das Strommaximum j@@x verantwortlichen resonanten Tunneleffekt überlagert ist. ist erhält also, wenn die Energie wenigstens eines der quantisierten Zustände des Potentialtals 43 bis unterhalb der Fermi-Energie EF durch Anlegen einer Spannung V an die Kontakteinrichtungen 21 und 22 erreichbar ist, einen Verlauf der Strom-Spannungskennlinie des Bauelements mit mindestens einem ansteigenden Ast 51 und mindestens einem abfallenden Ast 52. Können beide Snergieniveaus E1 und E2 des Potentialtals 43 bis unterhalb der Fermi-Energie EF der Substratschichtelektronen abgesenkt werden, so erhält man den in der Fig. 5 durch die ausgezogene Kurve 53 dargestellten Verlauf der Strom-Spannungskennlinie mit zwei Maxima 54 und 56 und zwei Minima 57 und 58 des resonanten Tunnelstroms j Diese Strom-Spannungskennlinie 51, 52 und 63 bis 58 der Fig. 4 und 5 kann bei dem erfindungsgemaßen Bauelement 16 mittels eines an einem oder beiden der in ohmschem Kontakt mit der Talschicht 18 stehenden Kontaktblöcke 26 und 27 abgefahren werden, indem an diese eine Steuerspannung VG variabler Größe angelegt wird.The voltage applied across the contact devices 23, 24 and 22 successively increased and thereby the strength of the working field acting in the x-direction A steadily increases, so that at least the lower energy level El according to the one shown in FIG. 2 and 3 until below the Fermi energy EF of the bubstlatelektronen is lowered, so this results in the course of the tunnel current j x shown in FIG. 4 as a function From the applied voltage V the tunnel current jx sets at a threshold voltage Vtii then rises in a first voltage range between the voltages Vth and VEl up to an iaximal value jmax V to. then with increasing voltage TV again to drop down to an alwert min at the voltage Vm and then again to rise. This renewed increase is then initially through the normal, not resonant tunnel effect, which exponentially depends on the width and the energetic Height of the potential barriers 42 and 44 depends and that for the current maximum j @@ x responsible resonant tunnel effect is superimposed. is received so, when the energy of at least one of the quantized states of the potential valley 43 to below the Fermi energy EF by applying a voltage V to the contact devices 21 and 22 can be achieved, a course of the current-voltage characteristic curve of the component with at least one rising branch 51 and at least one falling branch 52. Can both energy levels E1 and E2 of the potential valley 43 to below the Fermi energy EF of the substrate layer electrons are lowered, one obtains the in Fig. 5 of the current-voltage characteristic curve represented by the solid curve 53 with two maxima 54 and 56 and two minima 57 and 58 of the resonant tunnel current j This current-voltage characteristic curve 51, 52 and 63 to 58 of FIGS. 4 and 5 can be used at the inventive component 16 by means of one or both of the in ohmic Contact blocks 26 and 27 standing in contact with the valley layer 18 are traversed, by applying a control voltage VG of variable magnitude to this.
In der Fig. 6 ist die Steuerker£nlinie eines erfindungsgemäßen Bauelements 16 für drei verschiedene Werte V1, V2 und V3 der Arbeitsspannung eingezeichnet, wobei als Grdinate der resonante Tunnelstrom jx und als Abszisse die an dem oder den Kontaktblöcken 26 und 27 angelegte Steuerspannung VG aufgetragen ist. Die beiden Kontaktblöcke 26 und 27 der GaAs-Zwischenschicht 18 können aabei durch eine in der Fig. 1 gestrichelt eingezeichnete Leitung 59 elektrisch miteinander verbunden werden, sodaß die Steuerspannung an beiden Kontaktblöcken angelegt Ist. Die durch die ausgezogene Linie 61 dargestellte Stroia-pan£iungskennlinie entspricht dabei dem höchsten Wert Vn, die strichpunktierte eingezeichnete Kurve 62 einem mittleren und die gestrichelt eingezeichnete Kurve 63 einem niedrigsten Wert V1 der an den Kontakteinrichtungen 21 und 22 angelegten Arbeitsspannungen V. Der qualitative Verlauf aer Strom-Steuerspannungskennlinie der Fig. 6 ist derselbe wie derjenige der Fig. 4 mit jeweils einem ansteigenden und einem abfallenden, d. h.In FIG. 6, the control core is a line of a component according to the invention 16 drawn in for three different values V1, V2 and V3 of the working voltage, where the grdinate is the resonant tunnel current jx and the abscissa is the one at the or the control voltage VG applied to the contact blocks 26 and 27 is plotted. The two Contact blocks 26 and 27 of the GaAs intermediate layer 18 can also be made by one in the Fig. 1 dashed lines 59 are electrically connected to each other, so that the control voltage is applied to both contact blocks. The by the undressed Stroia pan characteristic curve shown on line 61 corresponds to the highest value Vn, the dash-dotted curve 62 shown in the middle and the dashed curve drawn curve 63 has a lowest value V1 on the contact devices 21 and 22 applied working voltages V. The qualitative course of the current control voltage characteristic of Fig. 6 is the same as that of Fig. 4, each with a rising and a sloping, d. H.
einem negativen Widerstand des Bauelements 16 entsprechsnden Bereich der Kennlinie. Man erkennt, daß die Schweilenwert spannungen Vthl' Vth2 und Vth3 mit steigenden Werte V1, V2 und V3 der Arbeitsspannung V zu kleineren werten der Steuerspannung VG verschoben sind.a region corresponding to a negative resistance of the component 16 the characteristic. It can be seen that the welding value voltages Vthl 'Vth2 and Vth3 with increasing values of V1, V2 and V3 of the working voltage V, the values decrease Control voltage VG are shifted.
In der Fig. 5 sind die Strom-Spannungskennlinien, d. h.In Fig. 5, the current-voltage characteristics, i.e. H.
also die Ausgangskennlinien eines erfindungsgemäßen Bauelements mit quantisierten Zuständen mit zwei verschiecienen Eigenenergien E1 und E2 in Abhängigkeit von verschiedenen Werten der Steuerspannung VG dargestellt. Die ausgezogene Kurve 53 entspricht einem Wert VG=O, die gestrichelte Kurve 64 einem bert der Steuerspannung VG' der größer G ist und die strichpunktierte Kurve 66 einem Wert der bteuerspannung VG, der kleiner O ist. Auch hier ist erkennbar, daß die Maxima 54 und 56 des resonanten Tunnelstroms für steigende werte der Steuerspannung zu kleineren werten der Arbeitsspannung hin verschoben sind, d. h. die Strom-Spanhungskennlinie der Fig. 4 kann sowohl durch Variation der Steuerspannung VG als auch durch Variation der wrbeitsspannung V durchfahren werden.thus the output characteristics of a component according to the invention with quantized states with two different natural energies E1 and E2 as a function represented by different values of the control voltage VG. The solid curve 53 corresponds to a value VG = 0, the dashed curve 64 corresponds to a bert of the control voltage VG 'which is greater than G and the dash-dotted curve 66 is a value of the control voltage VG, which is lowercase O. Here, too, it can be seen that the maxima 54 and 56 of the resonant Tunnel current for increasing values of the control voltage to lower values of the working voltage are shifted, d. H. the current-voltage characteristic curve of FIG. 4 can through both Variation of the control voltage VG as well as by varying the working voltage V through will.
Eine in den ansteigenden Kennlinienbereichen 51, 55 und/ oder 66 der Fig. 4, 5 oder 6 als Proportionalverstärker betreibbare Schaltungsanordnurig ist in der jig. 7 dargestellt. Zur Einstellung des Arbeitspunktes erforderliche widerstände 67, 66 und 69 sowie ein zum Anlegen eines Wechselspannungs-Steuersignals VG erforderlicherlicher kondensator 71 sowie die zur Beschaltung des Bauelementes 6 ertorderlichen Leiterpfade können dabei ebenso wie dieses auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet und im Epitaxie-Verfahren hergestellt sein. Es versteht sich, daß auch eine Oszillatorschaltung, in der das erfindugsgemäße Bauelement in den Keririlinienbereichen mit negativem Widerstand betrieben wird, in der genannten integrierten Weise ausgeführt sein kann.One in the rising characteristic curve ranges 51, 55 and / or 66 of the 4, 5 or 6 is a circuit arrangement which can be operated as a proportional amplifier in the jig. 7 shown. Resistances required to set the operating point 67, 66 and 69 as well as one required for applying an AC voltage control signal VG capacitor 71 and the conductor paths required to connect the component 6 can just like this arranged on a common substrate and in Epitaxy process be made. It goes without saying that an oscillator circuit, in which the component according to the invention in the keririline areas with a negative Resistance is operated, can be designed in the aforementioned integrated manner.
Eine weitere interessante Betriebsart des erfindungsgemäßen Bauelements 16 erzielt man dadurch, daß über die Kontaktblöcke 26 und 27, die über die Talschicht 18 miteinander in Reihe geschaltet sind, eine transversale Spannung V,l.Another interesting mode of operation of the component according to the invention 16 is achieved in that the contact blocks 26 and 27, which over the valley layer 18 are connected in series with each other, a transverse voltage V, l.
angelegt wird. Ist dann die Stärke des Arbeitsfeldes so gewählt, daß ein longitudinaler Tiiwielstron j fließen kann, und dementsprechend die Elektronenkonzentration in der Talschicht 18 erheblich erhöht ist, so ist deren elektrischer Widerstand in transversaler Richtung niedrig, und es kann ein transversaler Strom jz in dem in der ig. 1 durch die strichpunktierte Linie 72 dargestellten Strompfad fließen. Bei vorgegebener Stärke der transversalen Spannung VT und variabler Stärke des Arbeitsfeldes li ergibt sich dann für die Abhängigkeit des transversalen Stromes jz von der in der longitudinalen x-Richtung angelegten Arbeitsspannung V im wesentlichen derselbe Verlauf der Strom-Spannungskennlinien wie in den Fig. 4, 5 und 6. Da der transversale Strom j@ nur fließen kann, wenn die Jchichtenfolge 1, 18, 19 aufgrund des resonanten Tunneleffektes auch in der longitudinalen x-Richtung durchlässig ist, kann somit durch Anlegen der transversalen Spannung VT abgefragt werden, in welchem Leitungszustand sich das erfindungsgemaße Bauelement 16 befindet. Ist dies der tunnelstromführende Zustand, in dem die Eiektronenkonzen tration der Talschicht 18 verhältnismäßig hocii Ist, und wird dann zum Zeitpunkt to eine tranversale Gleichspannung VT an die Talschicht 18 angelegt, so erhalt man im wesentlichen den in der Fig. 8 dargestellten zeillchen Verlauf des transversalen stromes jz in in Abhängigkeit von der Spannung Vm. Da die beim Anlegen der Spannung Vm noch hohe Elektronenkonzentration durch den transversalen Strom j z vermindert wird, nimmt auch dessen Stromstärke von einem anfänglich sehr hohen Wert jz max an, der höher sein kann als der maximale Wert des longitudinalen Tunnelstroms jx, ab, um schließlich einem Gleichgewichtswert ize zuzustreben, der gleich der Differenz des durch die an die Substratschicht 23 angrenzenden Barriereschicht 17 fließenden Tunnelstroms j, x und des durch die zweite Barriereschicht 19 fließenden Tunnelstroms jx1 im Gleichgewichtszustand ist. Ist der im wesentlichen durch die äußere Barriereschicht 19 bestimmte Widerstand der Schichtenfolge in longitudinaler Richtung groß gegen den Widerstand der Talschicht in transversaler Richtung, so kann ein erheblicher steil des gesamten Tunnelstroms x in transversaler Richtung abgezogen werden. Um hieraus resultierende mögliche Verschiebungen des Arbeitspunktes des erfindungsgemäßen Bauelements 16 weitgehend zu vermeiden, kann es zweckmäßig sein, zum Abfragen des Leitungszustandes nur kurzzeitige, transversale Spannungsimpulse zu verwenden, die nur einen kleinen Teil der in der Talschicht 18 gespeicherten Elektronen abfließen lassen, sodaß sich nach einer kurzen Erholzeit, die in der Größenordnung von 10-13 sec liegt, der ursprüngliche Leitungszustand wieder einstellt. Das in der Fig. 9 dargestellte erfindungsgemäße Bauelement 73weist im Unterschied zu dem Bauelement 16 nach der Fig. 1 eine Schichtenfolge mit drei Barriereschichten 75, 74 und 76 und zwei alternierend dazwischen angeordneten Talschichten 77 und 78 auf. Diese Schichtenfolge ist wiederum auf einem GaAs-Substrat 79 angeordnet, dessen n-leitender Kontaktbereich 81 durch Eindiffundieren eines geeigneten Donators erzeugt ist. Kontakteinrichtungen 81, 82 und 83 mit metallischen Kontaktschichten 84 und 86 zum anlegen einer Arbeitsspannung V sind in einer der Fig. 1 entsprechenden Weise an den einander abgewandten Außenflächen der äußeren Barriereschichten '73 und 76 vorgesehen. Jede der beiden Talschichten 78 und 7 ist mit zwei kontaktblöcken 87 und 88 bzw. 89 und 91 und den zugehörigen Anschlußleitern 92, 93, 94 und 96 zum liegen einer bteuerspannung und/oder einer Spannung zum Abziehen eines transversalen Stromes versehen.is created. Is then the strength of the field of work chosen so that a longitudinal Tiiwielstron j can flow, and accordingly the electron concentration is significantly increased in the valley layer 18, its electrical resistance is in the transverse direction low, and there can be a transverse current jz in the in the ig. 1 through the dash-dotted line 72 shown flow path. With a given strength of the transverse voltage VT and variable strength of the working field li then results for the dependence of the transverse current jz on the in of the working voltage V applied to the longitudinal x-direction is substantially the same Course of the current-voltage characteristics as in FIGS. 4, 5 and 6. Since the transverse Current can only flow if the sequence of layers 1, 18, 19 due to the resonant Tunnel effect is also permeable in the longitudinal x-direction, can thus by applying the transverse voltage VT, the line status can be queried the component 16 according to the invention is located. Is this the tunnel current carrying State in which the electron concentration of the valley layer 18 is relatively hocii Is, and then a transverse direct voltage VT is applied to the valley layer at time to 18, one essentially obtains the little cell shown in FIG Course of the transverse current jz as a function of the voltage Vm. There the still high electron concentration when the voltage Vm is applied due to the transverse Current j z is reduced, its current intensity also increases from an initially very large high value jz max, which can be higher than the maximum value of the longitudinal Tunnel current jx, ab, to finally ize an equilibrium value to strive to be equal to the difference between the two adjacent to the substrate layer 23 Barrier layer 17 flowing tunnel current j, x and through the second barrier layer 19 flowing tunnel current jx1 is in the equilibrium state. Is that essentially longitudinal resistance of the layer sequence determined by the outer barrier layer 19 Direction large against the resistance of the valley layer in the transverse direction, see above can be a considerable steep part of the entire tunnel current x in the transverse direction subtracted from. Any possible shifts in the operating point resulting from this To largely avoid the component 16 according to the invention, it can be expedient only brief, transverse voltage pulses to query the line status to use which is only a small part of the stored in the valley layer 18 Let electrons flow away, so that after a short recovery time, the Of the order of 10-13 seconds, the original line condition is restored. The component 73 according to the invention shown in FIG. 9 has a difference for the component 16 according to FIG. 1, a layer sequence with three barrier layers 75, 74 and 76 and two valley layers 77 and 77 arranged alternately therebetween 78 on. This layer sequence is in turn arranged on a GaAs substrate 79, its n-conductive contact area 81 by diffusing in a suitable donor is generated. Contact devices 81, 82 and 83 with metallic contact layers 84 and 86 for applying a working voltage V are in one of FIG. 1 corresponding Way on the opposite outer surfaces of the outer barrier layers '73 and 76 provided. Each of the two valley layers 78 and 7 is provided with two contact blocks 87 and 88 or 89 and 91 and the associated connecting conductors 92, 93, 94 and 96 for lie a control voltage and / or a voltage for subtracting a transverse Provided electricity.
Die Kontaktblöcke 87 und 88 der in der Fig. 9 oberen Talschicht 77 aus GaAs sind auf die über die Talschicht 7'7 hinausragenden Randbereiche 82 und 83 aufgedampft, die etwas breiter sind als die Kontaktblöcke 87 und 8, die dadurch von den Kontaktblöcken 89 und 91 der unteren Talschicht 76 durch den hohen elektrischen Widerstand der mittleren 3arriereschicht getrennt sind.The contact blocks 87 and 88 of the upper valley layer 77 in FIG. 9 made of GaAs are on the edge regions 82 and 82 projecting beyond the valley layer 7'7 83 vapor-deposited, which are slightly wider than the contact blocks 87 and 8, which thereby from the contact blocks 89 and 91 of the lower valley layer 76 through the high electrical Resistance of the middle 3arriereschicht are separated.
Das Bauelement 73 weist im Bereich der fünfschichtigen Schichtenfolge 73, 78, 74, 77, 76 ohne äußeres Arbeitsfeld einen Verlauf der Übergangspotentiale mit insgesamt drei Sotentialbarrieren 97, 98 und 99 und zwei dazwischenliegenden Potentialtälern 101 und 102 auf. Der Verlauf' des Potentials kann beispielsweise symmetrisch zur ibiittelebene der mittleren Barriereschicht 74 sein, wie es in der Darstellung der Fig. 10 entspricht, wobei im Vergleich zu einem Potentialverlauf mit nur einem Potentialtal, etwa gemäß Fig. 2, entsprechende Energiezustände El und E2, die in der Fig. 10 gestrichelt eingezeichnet sind, nunmehr in Doubletts aufspalten, sodaß bei gleichem "Talvolumen" eine größere Anzahl von Eigenenergieniveaus der quantisierten Zustände auftritt. Allgemein führt das Vorhandensein von N in x-Richtuag periodisch angeordneten Potentialtälern zu einer li-fachen Aufspaltung der Energieniveaus der quantisierten Elektronenzustände.The component 73 has in the area of the five-layer layer sequence 73, 78, 74, 77, 76 without an external working field a course of the transition potentials with a total of three potential barriers 97, 98 and 99 and two in between Potential valleys 101 and 102. The course of the potential can, for example symmetrical about the midplane of the middle barrier layer 74, as shown in FIG The representation of FIG. 10 corresponds, in comparison to a potential profile with only one potential valley, for example according to FIG. 2, corresponding energy states El and E2, which are shown in dashed lines in FIG. 10, now in doublets split, so that with the same "valley volume" a larger number of self-energy levels of the quantized states occurs. In general, the presence of N leads in x-direction periodically arranged potential valleys to a li-fold splitting the energy levels of the quantized electron states.
Die Dicke der Barriere- und/oder Talschichten kazni auch unsymmetrisch zur Mittelebene der mittleren Barriereschicht 74 gewählt sein, sodaß beispielsweise der in der Fig. 11 dargestellte Potentialverlauf entsteht mit unterschiedlich breiten Potentialtälern 103 und 104 und verschiedener energetischer Lage der beiden in diesen Täerln möglichen quantisierten Elektronenzustände El und E2 bzw. El' und S2'. Es können zusätzlich auch verschiedene Darrierenhöhen und -breiten der Schichten 97, 98 und 99 vorgesehen sein, womit sich weitere Variationsmöglichkeiten der energetische Lagen der quantisierten Zustände erreichen lassen, deren energetische Lage durch gezielte wanl der Schichtenmaterlalien und Abmessungen der Schichtdlcken einstellbar und durch an die Kontakteinrichtungen 92, 93, 94 und 96 anlegbare longitudinale Zusatzfelder veränderbar ist. Bel einem solchen Bauelement lassen sich bei den verschiedensten Kombinationen von Steuerspannungen dann resonante Tunnelströme in Abhangigkeit von dem longitudinaien Arbeitsfeld und den angelegten Steuerspannungen erzielen.The thickness of the barrier and / or valley layers kazni also asymmetrical be selected to the center plane of the middle barrier layer 74, so that for example the potential profile shown in FIG. 11 arises with different widths Potential valleys 103 and 104 and different energetic positions of the two in these Täerln possible quantized electron states El and E2 or El 'and S2'. It In addition, different kilning heights and widths of the layers 97, 98 and 99 can be provided, which means that there are further possible variations of the energetic Let positions of the quantized states reach their energetic Location through targeted changes in the layer materials and dimensions of the layer thicknesses adjustable and by the contact devices 92, 93, 94 and 96 placed longitudinal Additional fields can be changed. Bel such a component can be used in a wide variety of Combinations of control voltages then resonant tunnel currents as a function of the longitudinal working field and the applied control voltages.
beispielsweise laßt es sich erreichen, daß bei vorgegebenem Arbeitsfeld ein Tunneistrom in X-Kichtung nur dann fließt, wenn an den Kontakteinrichtungen 89 und/oder 91 der ersten Talschicht 103 und an den kontakteinrichtungen 87 und/oder 88 der zweiten ralschicht 104 dieseibe oder eine anuere definierte Steuerspannung anliegt, sodaß ein solenes Baueiement als UND~Glied benutzbar ist.for example, it can be achieved that with a given field of work a tunnel current only flows in the X-direction if at the contact devices 89 and / or 91 of the first valley layer 103 and on the contact devices 87 and / or 88 of the second layer 104, this disk or another defined control voltage is applied so that such a component can be used as an AND element.
Das insbesondere anhand der Fig. 1 bis 3 erfauterte Bauelement 16 kann auch in der Weise benutzt werden, daß weide zum Anlegen des longitudinalen Arbeitsfeldes vorgesehenen Kontakteinrichtungen 21 und 22 auf nohes Potential gelegt werden, beispielsweise Erdpotential, und die Absenkung des Potentials der Talschicht allein durch Anlegen einer Steuerspannung gegen Erde oder einen der Kontaktblöcke 26 oder 27 der Talschicht lo erlolgt. Zwischen den Barriereschichten 17 und 19 und der Talschient 18 entstehen dann zwei entgegengesetzt gerichtete, durch die Pielle a1 und a2 der Fig. 1 Symbolisierte Arbeitsielder, die in dem in der Fig. 12 dargesteilten Potentialproil 42, 43, 44 der Schichtenfolge funren, bei der das Potentialtal 43 gegenüber den Kontaktschichtpotentialen energetisch abgesenkt 1st. Die dem feidfreien Fals gemaß der Fig. 2 entsprechenden vernalthisse sind gestricheit elngezelchnet, Das untere Energienlveau Et der quantisierten Taizustände ist um einen solchen Energiebetrag A B abgesenkt, daß wegen der genügenden oberlappung dieser Energieniveaus E1 mit der Fermi-Energie EF der Ladungstrager beider Fermi-Seen 41 und 42 eine Besetzung der Zugehorigen quantisierten Zustände aufgrund des resonanten Tunneleffekts erfolgen kann.The component 16 shown in particular with reference to FIGS. 1 to 3 can also be used in such a way that willow for laying the longitudinal Work area provided contact devices 21 and 22 placed on high potential be, for example, earth potential, and the lowering of the potential of the valley layer simply by applying a control voltage to earth or one of the contact blocks 26 or 27 of the valley layer lo. Between the barrier layers 17 and 19 and the Talschient 18 then arise two oppositely directed, through the Pielle a1 and a2 of FIG. 1 Symbolized work targets, which are shown in the illustrated in FIG Potential profile 42, 43, 44 of the layer sequence in which the potential valley 43 is energetically lowered compared to the contact layer potentials. The non-feudal If according to Fig. 2 corresponding vernalthisse are dashed separately, The lower energy level Et of the quantized Tai conditions is over such an amount of energy A B lowered that because of the sufficient overlap of this energy level E1 with the Fermi energy EF of the charge carriers of both Fermi lakes 41 and 42 an occupation of the associated quantized states due to the resonant Tunnel effect can be done.
Durch Kniegen einers transversalen Spannung VT uber die kontaktbiöcke 26 und 27 kann dann Imm er dann ein transversaier Strom aus der Taischicht 18 gezogen werden, wehn die Steuerspannung VG einen bestimmten unteren Schwellenwert Vth überschritten hat. Zu beachten ist, daß die Besetzung der quantisierten Zustande des rotentiaitales 43 durch Ladungsträger aus beiden Fermi-Seen 41 und 46 erloigen kann, sodaß bei dieser Betriebsart ein besonders noher transversaler Strom jz erreichbar ist. Das erfindungsgemäße Bauelement ist damit auch in einer der üblichen Betriebsart eines Feldeffekttransistors (FET) vergleichbaren Betriebsart benutzbar und damit zumlndest für diejenigen knwendungsiälle geeignet, in denen auch FET's eingesetzt werden, wobei das erfindungsgemäße Bauelement aufgrund der Ausnutzung des resonanten Tunneleffekts den Vorzug eines ernonten Signal/ Rauschverhältnisses bietet.By bending a transverse tension VT across the contact blocks 26 and 27 can then always draw a transverse current from the layer 18 when the control voltage VG exceeds a certain lower threshold value Vth Has. It should be noted that the cathexis of the quantized states of the rotentiaital 43 can be obtained by charge carriers from both Fermi lakes 41 and 46, so that at In this operating mode, a particularly close transverse current jz can be achieved. That The component according to the invention is thus also in one of the usual operating modes Field effect transistor (FET) comparable operating mode can be used and thus at least at the very least suitable for those applications in which FETs are also used, the component according to the invention due to the utilization of the resonant tunnel effect offers the advantage of a renewed signal-to-noise ratio.
Die erfindungsgenaben Bauelemente konnen prinzipiell aus allen Ausgangsmaterialien nergestellt werden, die in einem Epitaxie-Verfahren verarbeitet werden können, insbesondere aus Gallium-Arsenid, Cadmium-Tellurid, Blei-Tellurid, aber auch auf der Basis von Silizium und Germanium; sie eignen sich aufgrund der Leitungseigenschaften insbesondere als Schalter, Oszillatoren, Verstärker, sowie zum Aufbau logischer Schaltungselemente, die zu großen, zahireiche Einzelelemente enthaltenden Schaltungseinheiten integriert werden können.The components according to the invention can in principle be made from any starting material n are produced that can be processed in an epitaxial process, in particular from gallium arsenide, cadmium telluride, lead telluride, but also based on Silicon and germanium; they are particularly suitable due to their conduction properties as switches, oscillators, amplifiers, as well as for the construction of logic circuit elements, the circuit units containing too large, numerous individual elements are integrated can be.
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