Abstract
經由半導體的雙能障 (Double Barriers), 而有共振穿隧現象在 1974 年首先被 Esaki 等人提出 [1.1]。且近幾年來,由於長晶技術的發展,像分子束磊晶 (Molecular beam epitaxy,MBE),使這個領域引起廣泛的注意和興趣。例如材料品質的改進, 已經能在室溫下觀察到負電阻 (NegativeDifferential Resistance, NDR)。而振盪頻率超過 700 GHZ 已經被證實 [1.2], 一個共振穿隧二極體 (Resonant Tunneling Diode, RTD), 其峰值電流和谷底電流的比值 (Peak-to-Valley ratio), 在 77k 可達51:1 [1. 3]。因此目前大部份研究方向,都朝向使這個共振穿隧雙能障結構 (Resonant Tunneling Double Barriers structure, RTDB's)有最佳的操作特性, 和利用它的性質來組合成電子或光學元件。在一個典型的量子元件 RTD (Resonant Tunneling Diode)被廣泛的探討和應用之際,了解 RTD 的特性愈發顯得重要。本論文的目的, 即在探索造成 RTD 的I-V 曲線上雙穩態 (Bistability ) 的因素, 在此之前有兩派說法, 一是認為電荷累積的效應造成,另一觀點則主張, 是由於 RTD 有一負電阻(Negative Differen- tial Resistance, NDR) 區域, 造成電路上的振盪所引發。首先我們提出電荷累積效應的模擬, 用非平衡態格林函數 (non-equilibrium Green's function) 來描述, 在偏壓下量子井中, 非平衡態電子的分布. 由這個分布可以得到電荷的累積量。針對一個較易形成電荷量累積的結構, 我們的結果證實了, 在同一偏壓下可以有兩種電荷密度的存在, 即造成本質上的雙穩能 ( intrinsic bistability)。其次,我們將 RTD 當作一個非線性元件, 來模擬其與外電路的作用, 當它的負電導足夠大時, 會造成電路上的振盪, 由這個振盪也證實會發生外來的雙穩態 (extrinsic bistability)。最後我們則提出一個嶄新的觀點, 當一個 RTD 的結構兼具兩種造成雙穩態的特性時, 所形成的雙穩態是兩種因素合成的結果, 換言之, 前述兩種因素都會單獨造成, 也可以同時造成。並且提供實驗量測者一個參考, 即在何種情況下, 可以觀測到那一種雙穩態。