Процессы, происходящие в полупроводнике в случае туннельного эффекта

Туннельный диод относится к группе полупроводниковых приборов, вольтамперные характеристики которых имеют участок, соответствующий отрицательному дифференциальному сопротивлению прибора. Туннельный диод применяется как многофункциональный прибор (усиление, генерация, переключение и др.) для работы преимущественно в области СВЧ. Он может работать и на более низких частотах, однако его эффективность в этом случае значительно ниже, чем, например, транзистора.

Туннельный диод создается на основе вырожденного полупроводника.При этом высокая доза примеси в высоколегированном полупроводниковом материале вызывает смещение уровня Ферми настолько, что он располагается у электронного полупроводника в зоне проводимости, а у дырочного — в валентной зоне (рис. 5.2, а). Таким образом, при изготовлении туннельного диода как в p-область, так и в n-область вводят легирующие примеси в очень большой концентрации (примерно 10¹⁹10²⁰ см^-3, что на 2—3 порядка выше, чем в обычных диодах). Вследствие этого ширина перехода весьма мала — порядка 0,01мкм. Внутри перехода возникает электрическое поле напряженностью Е=10⁵10⁶ В/см.

В основе работы туннельного диода лежит туннельный эффект, сущность которого заключается в том, что электрон, обладающий энергией, меньшей, чем высота потенциального барьера, может проникнуть с некоторой вероятностью сквозь этот тонкий потенциальный барьер. Электрон как бы пользуется своеобразным туннелем, чтобы пройти сквозь барьер, не поднимаясь над его уровнем. Этот процесс происходит очень быстро (со скоростью света).

При образовании p-n-перехода происходит смещение энергетических зон полупроводников с различным типом проводимости в такой мере, что уровень Ферми для них становится прямой горизонтальной линией. При этом в случае вырожденных полупроводников нижняя граница зоны проводимости n-области становится ниже верхней границы валентной зоны р-области. Для простоты рассуждений будем считать, что все разрешенные уровни, расположенные ниже уровня Ферми, заняты, а расположенные выше него — свободны.

В очень узких p-n-переходах возникают условия для относительно свободного туннельного прохождения электронов через потенциальный барьер. Однако для этого необходимо, чтобы напротив занятого электроном уровня по одну сторону барьера имелся свободный уровень за барьером.