Физика туннельного диода
Перекрытие зон и чрезвычайно малая ширина перехода и приводят к появлению аномалии в вольтамперной характеристике p-n-перехода. Но прежде чем рассматривать эту аномалию, необходимо кратко ознакомиться с известным квантовомеханическим явлением — туннельным эффектом, лежащим в основе аномалии.
Туннельный диод.
Как было упомянуто ранее, свое название туннельный диод получил из-за лежащего в его основе работы известного в квантовой механике туннельного эффекта. Еще до открытия Эсаки этот эффект в полупроводниках был достаточно изучен, первоначально Зенером, затем Мак−Аффи, Шокли и другими, которые рассмотрели туннелирование электронов через запрещенную зону в сплошном полупроводнике. Дальнейшее развитие теория туннельного эффекта в полупроводниках получила в фундаментальных работах Л. В. Келдыша.
Основа этого явления заключается в том, что частица (например, электрон 2 на рис.5), имея энергию Eэл, которая меньше высоты потенциального барьера Eб обладает конечной вероятностью проникновения сквозь этот барьер. Потенциальный барьер Eб (например, связанный с работой выхода электрона из металла) по законам классической физики не составляет препятствия для электрона 1, обладающего большей энергией, чем высота этого барьера. При определенных условиях и электрон 2 может преодолеть его, хотя энергия электрона меньше высоты потенциального барьера. Причем этот электрон не огибает барьера, а как бы «туннелирует» сквозь него (отсюда и название эффекта), имея одну и ту же энергию до и после перехода.
Такой механизм преодоления потенциального барьера можно связать с волновым представлением движения электрона в твердом теле, когда при столкновении с барьером электрон подобно волне проникает на какую-то глубину внутрь его. В случае барьера конечной толщины имеется какая-то конечная вероятность найти волну (электрон) с другой стороны барьера, что эквивалентно прохождению электроном барьера. Чем меньше ширина барьера, тем больше «прозрачность» его для волны; т. е. тем больше вероятность прохождения электрона сквозь этот потенциальный барьер. При определенных условиях туннельный эффект может
наблюдаться в p-n-переходе. Чтобы найти условия, при которых возможен туннельный эффект, необходимо выяснить влияние параметров перехода на вероятность туннельного эффекта.
Ширина сплавного p-n-перехода связана с концентрацией примесей в полупроводнике следующим образом:
e — заряд электрона.
При обычном легировании полупроводниковых материалов (концентрация примесей донорных или акцепторных порядка 1016 см−3) обедненный слой получается довольно широким (около 10−4 см). При такой ширине перехода вероятность туннелирования электронов через него пренебрежимо мала.
где Eg − ширина запрещенной зоны (здесь принято Eg ≈ e·φkчто справедливо для вырожденных полупроводников).
С ростом степени легирования материала ширина p-n-перехода уменьшается и вероятность туннелирования возрастает. При концентрации примесей 1019—1020 см−3, соответствующих вырождению, ширина перехода получается порядка 100 А° и вероятное количество туннельных переходов электрона за 1 сек будет уже порядка 1012 (для германия). При этом напряженность электрического поля в p-n-переходе около 106 в/см и переброс электронов за счет эффекта Зенера еще не сказывается.
Таким образом, туннельный эффект становится практически ощутимым лишь в сильнолегированных материалах. Изучая узкие сильнолегированные сплавные переходы в германии, Эсаки и открыл новый тип полупроводникового прибора — туннельный диод, вольтамперная характеристика которого изображена на рис. 6, а в сравнении с вольтамперной характеристикой обычного диода, изображенной штриховой линией.
Энергетическая диаграмма туннельного перехода при отсутствии внешнего смещения была показана на рис. 4. Образовавшееся вследствие вырождения полупроводникового материала перекрытие зон является необходимым условием для возможного туннелирования электронов через потенциальный барьер узкого p-n-перехода. Положение уровня Ферми затенено снизу для выделения того уровня энергии электронов в разных материалах, который находится в одинаковых энергетических условиях при термодинамическом равновесии тел. Вероятность заполнения этого уровня, как известно, равна половине. Такому выделению уровня Ферми способствует и слабая зависимость его положения в примесных полупроводниках от изменения температуры в пределах, встречающихся на практике. Подобное выделение этого уровня облегчает рассмотрение вопросов, связанных с распределением электронов по энергетическим уровням в зонах.
Такой подход и применен (рис. 6, б—ж) для объяснения формы вольтамперной характеристики туннельного диода.
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11