L'effet tunnel
Introduit dans les années 1923-1927 par Louis de Broglie et Erwin Schrödinger, l'effet tunnel est aujourd’hui l'un des phénomènes les plus étudiés en mécanique quantique. Ce phénomène est à l’origine de techniques de caractérisation de pointe telle que le microscope à effet tunnel mais aussi de nombreux composants dont la diode à effet tunnel résonnant ou le laser à cascades quantiques.
L'effet tunnel se traduit par une probabilité non nulle qu'une particule traverse une barrière de potentiel dont l’énergie est plus grande que celle de cette particule (figure 1). Cette probabilité est non-nulle lorsque la barrière est suffisamment fine (épaisseur de l’ordre de quelques nanomètres).
Figure 1 : Particule traversant une barrière de potentiel : de par la dualité onde-particule, celle-ci agit telle une ondeà proximité de la barrière et la traverse. Seule une partie de l’onde est transmise tandis que l’autre est réfléchie
au niveau de la variation de potentiel en x=0 (pour une onde qui progresse dans le sens des x>0).
L'effet tunnel résonnant
On parle également d'effet tunnel résonnant dans le cas d’un puits de potentiel (succession de deux barrières de potentiel). Il y a résonance, et donc transfert à travers la structure, lorsque l'énergie de la particule incidente est égale à l'énergie de l'un des états discrets du puits quantique.
Cet effet est au cœur même de notre sujet puisque l’on mènera notre étude dans le but d’identifier les paramètres essentiels à l’obtention de cet effet à travers nos hétérostructures.
Pour observer un tel phénomène, nous devons faire appel à une hétérostructure particulière : la diode à effet tunnel résonnant (RTD, de l’anglais Resonant Tunneling Diode).
Celle-ci correspond à la combinaison d’au moins deux semi-conducteurs SC1 et SC2 assemblés de telle sorte qu’ils forment un puits de potentiel grâce à leur différence de gap. Le puits est bordé par des couches de semi-conducteurs intentionnellement dopés qui servent d’émetteur et de collecteur comme figuré ci-dessous :
Figure 2 : Diagramme énergétique de la bande de conduction de la zone active d’une RTD à polarisation nulle. Seule est représentée la RTD mettant en jeu des électrons car elle est plus intéressante que celle à base de trous du point de vue de la dynamique des porteurs.
Afin de pouvoir observer l’effet tunnel résonnant, il faut pouvoir faire passer un courant à travers la structure : ainsi, il est nécessaire de poser des contacts au niveau des semi-conducteurs dopés (SC1(n) sur la figure 2).
La réalisation de ces contacts de part et d’autre de la structure permet d’appliquer une tension à ses bornes. Lorsqu’on applique une polarisation positive à ce type de structure, on va décaler les niveaux d’énergie les uns par rapport aux autres comme le montre la figure 3 :
Figure 3 : Effet d’une polarisation externe sur le diagramme énergétique de la bande de conduction d’une RTD.
La courbe de la figure 3 représente l’évolution du courant au travers de ce type de structure. On peut distinguer trois parties différentes :
- En augmentant la tension aux bornes du dispositif, le niveau de Fermi du collecteur va baisser tandis que celui de l’émetteur va tendre à s’aligner avec le premier niveau du puits. Dans cette gamme de tension, les électrons du niveau de Fermi de l’émetteur s’approchant du niveau résonnant du puits, le courant va commencer à circuler.
- En continuant d’augmenter la tension, on atteint Vpic , la tension pour laquelle le niveau de Fermi de l’émetteur s’aligne avec le premier niveau d’énergie du puits. Du côté droit, le niveau du puits est aligné avec les états vacants du récepteur (son énergie est supérieure à celui de Fermi du récepteur) : l’intensité atteint sa valeur maximale.
- Pour des tensions plus élevées que Vpic, l’énergie de Fermi de l’émetteur dépasse celle du premier niveau du puits : les électrons sont moins bien transmis à travers la structure : on observe une décroissance de l’intensité du courant.
Afin de mieux visualiser ces propos, voici une animation susceptible d’illustrer ceux-ci :
Figure 4 : Animation représentant l’effet d’une polarisation externe sur le diagramme d’énergie de la bande de conduction d’une RTD, la densité des porteurs de charge ainsi que du courant électrique à travers la RTD.
La pente négative de la caractéristique courant-tension observée pour des tensions supérieures à Vpic est appelée résistance différentielle négative. En général, l’observation d’une telle courbe expérimentale représente le premier indice d’un mode de transport par effet tunnel résonnant.