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几何二极管

几何二极管（英语：geometric diode）是利用不对称的几何结构以及准弹道/弹道输运方式实现二极管特性。几何二极管由于不依赖空乏区或电位势垒来达成单向导通特性，而在所有的二极管中独树一帜。

制造 编辑

 
简易的几何二极管示意图：蓝色粒子代表着电荷载子。当载子向右侧移动时可以成功地穿过洞口，然而载子由右侧通道往左侧移动时会受到遮挡而无法通过。

以二维电子气（英语：Two-dimensional electron gas）的平面模型来描述，几何二极管的构造是将一连续材料做成漏斗般的不对称造型，漏斗口和较宽敞的通道连接，而漏斗口的长度必须要近似于该材料中电荷载子的平均自由程（英语：mean free path，MFP）。室温下，载子的MFP短至数奈米（金属材料）[1]，长可达数十或数百奈米（半导体材料）[2]，在某些系统中甚至可以大于1微米。[3][4]这说明了要制造几何二极管，必须采用高MFP的材料，或者要有奈米等级精度的制程技术。

几何二极管是一种不需障蔽电位的多数载子元件，其利用漏斗状的结构来使得单方向的载子流动较为顺利，进而造成正逆向电流大小不同的现象。

几何二极管的体积必须够小，才能使载子进行弹道输运。此外在理想上，一个几何二极管的表面最好要能对载子作镜像反射（英语：Specular reflection），然而这项条件不比体积够小来的重要。

优缺点 编辑

优点 编辑

由于其他的二极管都依靠电位势垒的原理工作，因此需要一定的导通电压。几何二极管在理论上可达到零偏压导通，这个特性能够大幅降低其消耗功率。然而上述特性只在理论上成立而已，实际的二极管在运作上都需要一定的偏压。

几何二极管的第二大好处也和低障蔽电位以及缺少少数载子有关。电位势垒是二极管寄生电容的一大来源，而寄生电容会提高二极管的时间常数并造成其频率响应降低。几何二极管的寄生电容可低达数aF（10−18法拉）。[5]几何二极管的频率响应与时间常数以及少数载子的流动性都无关，而是受限于多数载子通过其不对称结构所需的时间。[6]因此，几何二极管能够达到兆赫兹（THz）等级的频率响应。[5]

几何二极管的相关特性能以几何形状、表面镀层以及选用材料的特性进行调整，如此高的自由度是其他种类的二极管所无法实现的。

随着产品体积越来越小，有关几何二极管的研究资讯将能够帮助我们了解介观尺寸下的科技样貌。

缺点 编辑

电位势垒的缺乏带来优点的同时也伴随了一些缺陷，其中最主要的缺点就是：几何二极管的逆偏电流相当大（与正向电流之间仅差了三到一个数量级，甚至更少）。因此需适当选择用途。

由于几何二极管通常为奈米大小，因此具有很大的电阻。这个缺点可以透过在制造过程中并联许多二极管得到改善。

几何二极管遇到最大的难题或许是其制程的稳定性以及增产的困难度。几何二极管的制造通常需应用到发展较困难的奈米光刻（英语：Nanolithography）技术，然而随着光刻的分辨率逐渐提升，这项问题或许在不久的将来能获解决。

实验范例 编辑

几何二极管与电子棘轮现象有关。[7][8]

二维电子气 编辑

早期的研究采用极低温状态下的二维电子气（英语：Two-dimensional electron gas）模型进行，原因在于载子于这种系统中的MFP相当的长。 [9][10]有一种几何结构受到了众多的研究，其具有四个端点的造型，在正中央有一个或一整个阵列的反量子点（英语：antidot），当受到来自左或右侧的电流供给时，其中的电荷会受力向下而非向上。[11]这系统最初是在极低温状态下展示，[9][12][13]后来变得能够在常温下运作，并能对50 GHz的讯号进行整流。[14]

石墨烯 编辑

四端点系统也被以石墨烯材料成功制出，并能在室温下运作。[15][16]2013年，有种类似于简易漏斗状设计但与之不同的二端点结构受到发表。[5]2021年，出现了名为《基于石墨烯制场效晶体管的弹道二极管之最佳设计》的研究，该研究中的设计表现出了兆赫兹等级的整流速度。[17]

奈米线 编辑

2020年4月，使用硅奈米线制成的几何二极管展现出在室温下工作的能力。[6]这项研究凸显出了几何二极管改变构造即可改变特性的可调性。另外此研究中的几何二极管也展现出了40 GHz的整流能力（受到仪器影响无法进一步量测）。

参见 编辑

参考文献 编辑

  1. ^ Gall, Daniel. Electron mean free path in elemental metals. Journal of Applied Physics. 2016-02-23, 119 (8): 085101. Bibcode:2016JAP...119h5101G. ISSN 0021-8979. doi:10.1063/1.4942216. 
  2. ^ Sze, S.M.; Ng, Kwok K. Physics of Semiconductor Devices. 2006-04-10. ISBN 9780470068328. doi:10.1002/0470068329 （英语）. 
  3. ^ Bolotin, K. I.; Sikes, K. J.; Jiang, Z.; Klima, M.; Fudenberg, G.; Hone, J.; Kim, P.; Stormer, H. L. Ultrahigh electron mobility in suspended graphene. Solid State Communications. 2008-06-01, 146 (9): 351–355 [2022-06-13]. Bibcode:2008SSCom.146..351B. ISSN 0038-1098. S2CID 118392999. arXiv:0802.2389  . doi:10.1016/j.ssc.2008.02.024. （原始内容存档于2013-04-05） （英语）. 
  4. ^ Umansky, V.; Heiblum, M.; Levinson, Y.; Smet, J.; Nübler, J.; Dolev, M. MBE growth of ultra-low disorder 2DEG with mobility exceeding 35×106cm2/Vs. Journal of Crystal Growth. International Conference on Molecular Beam Epitaxy (MBE-XV). 2009-03-15, 311 (7): 1658–1661 [2022-06-13]. Bibcode:2009JCrGr.311.1658U. ISSN 0022-0248. doi:10.1016/j.jcrysgro.2008.09.151. （原始内容存档于2022-02-18） （英语）. 
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 Zhu, Zixu; Joshi, Saumil; Grover, Sachit; Moddel, Garret. Graphene geometric diodes for terahertz rectennas. Journal of Physics D: Applied Physics. 2013-04-15, 46 (18): 185101. Bibcode:2013JPhD...46r5101Z. ISSN 0022-3727. doi:10.1088/0022-3727/46/18/185101. 
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