Туннельный эффект в полупроводниках.

На рис. 5а изображена схема энергетических зон полупроводникового образца собственной проводимости при отсутствии внешнего электрического поля. «Свободные» электроны в зоне проводимости не могут выйти за пределы образца, поэтому можно считать, что они находятся в потенциальной яме шириной , где

– размер образца. Как показано на рис. 5а, энергия электронов в зоне проводимости квантуется, что и следовало ожидать для частиц в потенциальной яме.

Рис. 5

После включения внешнего электрического поля (рис. 5) картина энергетических зон меняется, происходит наклон энергетических зон. Действительно, электроны вблизи отрицательного электрода имеют энергию на величину меньшую, чем вблизи положительного. Следовательно, – это величина наклона энергетических зон. Сильному электрическому полю в полупроводнике соответствует большой наклон энергетических зон. При этом электроны могут проходить сквозь узкий потенциальный барьер толщиной (рис. 5б) без изменения своей энергии и туннелировать благодаря своим квантово-механическим свойствам. Так как процесс туннелирования происходит вследствие перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости, то этот процесс можно считать аналогичным автоэлектронной эмиссии или холодной эмиссии электронов из металла. При туннелировании растет концентрация свободных носителей заряда. Туннельный эффект в полупроводниках проявляется при очень больших напряженностях электрического поля: в кремнии при , в германии при . Напряженности электрического поля, при которых появляется эффект туннелирования, различны для разных материалов, так как толщина потенциального барьера зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника при неизменной напряженности электрического поля. С другой стороны, сильное электрическое поле в полупроводнике можно создать в области перехода. Даже в отсутствие внешнего напряжения между и областями существует контактная разность потенциалов создающая в области ., перехода пространственный заряд и электрическое поле. Для получения резких и тонких переходов с сильным диффузионным полем используют вырожденные полупроводники, т.е. полупроводники с большой концентрацией примесей ( ).На рис.6а изображена энергетическая диаграмма вырожденного полупроводника типа, на рис. 6б – -типа.

Рис. 6

В вырожденных полупроводниках концентрация электронов и дырок увеличивается из-за высокой концентрации примесей, поэтому распределение свободных носителей заряда по энергетическим уровням подчиняется статистике Ферми-Дирака подобно распределению электронов в металле.

Уровень Ферми в равновесии расположен выше дна зоны проводимости в полупроводнике - типа и ниже потолка валентной зоны в полупроводнике - типа. Величины и , равны

(31)

и определяют степень выражения соответственно - и - областей полупроводника.

Рис. 7

На рис. 7 изображена энергетическая диаграмма перехода в вырожденном полупроводнике.

Туннельный диод – это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольтамперной характеристике при прямом направлении участка отрицательной дифференциальной проводимости.

В отличие от всех остальных полупроводниковых диодов для изготовле­ния туннельных диодов используют полупроводниковые материалы с очень высокой концентрацией примесей ( ). Следствием высокой концентрации примесей в прилегающих к переходу областях является, во-первых, малая толщина перехода (около 10^-2 мкм), т.е. на два порядка меньше, чем в других полупроводниковых диодах. Сквозь такие тонкие потенциальные барьеры возможно туннелирование носителей заряда. Другим следствием большой концентрации примесей является расщепление примесных энергетических уровней с образованием примесных энергетических зон, которые примыкают к зоне проводимости в - области и к валентной зоне в - области. Уровни Ферми при этом оказываются расположенными в разрешенных зонах.

Рис. 8

В диоде без внешнего напряжения существует туннелирование электронов из - область в - область и обратно. Встречные потоки электронов, равны, поэтому суммарный ток через диод равен нулю (рис. 8а).

При небольшом прямом напряжении на туннельном диоде происходит уменьшение высоты потенциального барьера перехода или смещение энергетической диаграммы - области относительно энергетической диаграммы - области. Свободные энергетические уровни области (занятые дырками), расположенные непосредственно над уровнем Ферми, оказываются на одной высоте по энергетической диаграмме с энергетическими уровнями - области, занятыми электронами (рис. 8б). Поэтому будет происходить преимущественное туннелирования электронов из - области в - область.

При прямом напряжении на диоде, когда свободные энергетические уровни валентной и примесной зон - области окажутся на одной высоте с занятыми электронами энергетическими уровнями зоны проводимости и примесной зоны - области, туннельный ток через диод будет максимальным (рис. 8в). Это напряжение называется пиковым напряжением , соответствующий ток пиковым током . Для диодов из GaAs, изготавливаемых вплавлением донорной примеси олова в - базу, имеем

(32)

По пиковому напряжению можно оценить степень вырождения, определив .

При дальнейшем увеличении прямого напряжения на диоде туннельный ток через диод будет уменьшаться, так как из-за смещения энергетических диаграмм будет уменьшаться количество электронов, способных туннелировать из - области в - область (рис. 8г).

Туннельный ток через диод окажется равным нулю при некотором еще большем прямом напряжении, когда из-за относительного смещения энергетических диаграмм - и - областей для свободных электронов - области не будет свободных энергетических уровней в - области (рис. 8д). Это напряжение называется напряжением впадины , а соответствующий ток током впадины . Ток впадины равен обычному не туннельному прямому току, обусловленному переходом носителей заряда через понизившийся потенциальный барьер перехода, т.е. ток, связанный с инжекцией. При этом верхний край зоны - типа находится на уровне нижнего края с-зоны - типа и для электронов с нет соответствующих свободный состояний в - зоне. Следовательно, можно записать

(33)

С дальнейшим увеличением прямого напряжения в связи с уменьшением высоты потенциального барьера прямой ток через туннельный диод будет возрастать, как в обычных выпрямительных диодах. Напряжение раствора – прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому (рис. 8е).

При обратном напряжении на туннельном диоде опять возникают условия для туннелирования электронов (рис. 8ж). Только теперь электроны туннелируют из валентной зоны - области в зону проводимости - области. Возникающий при этом обратный ток будет расти с увеличением обратного напряжения по абсолютному значению. Туннельный диод обладает относительно высокой проводимостью при обратном напряжении. Можно считать, что у туннельного диода при ничтожно малых обратных напряжениях происходит туннельный пробой.

В области напряжений от до среднее сопротивление туннельного диода равно

(34)

Мы видим, что в этом диапазоне оно отрицательно; это и является самым интересным свойством туннельного диода, так как всякий прибор с отрицательным дифференциальным сопротивлением может быть использован для генерации и усиления электромагнитных колебаний, а также в переключающих схемах.