Рефераты по Физике

Физика туннельного диода

Страница 5

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:

где ε — диэлектрическая проницаемость материала;

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.

Вероятность Wэл туннельного прохождения электрона че­рез p-n-переход для треугольного потенциального барьера определяется следующим выражением

где Eg − ширина запрещенной зоны (здесь принято Eg ≈ e·φkчто справедливо для вырожденных полупроводников).

Для определения плотности туннельного тока необходимо найти вероятное количество электронов, проходящих через потенциальный барьер в 1 сек. Оно будет равно произведению вероятности туннелирования электрона Wэл на число столкновений электрона с барьером за 1 сек, равному a·Eg/ћ·δ (а— постоянная решетки кристалла), т. е.

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.

При отсутствии внешнего смещения на p-n-переходе уро­вень Ферми имеет одинаковое энергетическое положение в p- и n-областях (см. рис. 6. б). Распределение электронов вы­ше и ниже уровня Ферми в обеих областях перекрывающихся

Перейти на страницу:  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11