2.2. Вольтамперная характеристика идеального электронно-дырочного перехода с туннельным эффектом

При подаче внешнего напряжения на электронно-дырочный переход, принцип работы которого основан на явлении туннельного эффекта, получают вольтамперную характеристику, представленную на рис.2.

На рис.2 пунктирной линией показана вольтамперная характеристика электронно-дырочного перехода без учета туннельной составляющей тока.

Рассмотрим вольтамперную характеристику идеального p-n перехода при наличии туннельного эффекта (си. рис.2) с помощью энергетических (зонных) диаграмм. Для точки О ВАХ (см. рис.2) при условии равновесия электронно-дырочного перехода энергетическая диаграмма изображена на рис.1. Ее анализ показал, что полный ток через электронно-дырочный переход в этом случае равен нулю.

Для точки А (см. рис.2) при небольшом значении прямого напряжения U_П>U_Пр1 > 0 в p-n переходе происходят уменьшение высоты потенциального барьера и смещение энергетических уровней n-области относительно энергетических уровней р-области (рис.3).

Рис.2. Вольтамперная характеристика идеального электронно-дырочного перехода с туннельным эффектом

Как показано на рис.3, при U_ПР1>0 свободные энергетические уровни валентной зоны р-области, расположенные непосредственно над энергетическим уровнем Ферми, оказываются на одной высоте с энергетическими уровнями зоны проводимости n-области, которые заполнены электронами. Поэтому будет происходить преимущественное туннелирование электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа на свободные энергетические уровни валентной зоны: I_Tn>>I_Tp, I I_Tn.

Рис.3. Энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода с туннельным эффектом при U_П>U_ПР1>0

В точке А ВАХ (см. рис.2) имеет место и диффузионная составляющая тока p-n перехода: I_D=I_Dn+I_Dp. Поскольку степень легирования области полупроводника n- и p- типов одинакова, токи I_Dn, I_Dp будут иметь равные значения, но их величина при данном прямом напряжении U_ПР1 невелика, потому что существует еще большое значение высоты потенциального барьера (φ_К - U_ПР1) и малое количество основных носителей заряда p- и n- областей полупроводника, способных преодолеть этот потенциальный (энергетический) барьер.

Энергетическая (зонная) диаграмма для точки В ВАХ (см. рис. 2) приведена на рис.4.

Рис.4.Энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода с туннельным эффектом при U_ПР2 = U_П

В этом случае прямое напряжение на p-n переходе имеет такое значение, когда свободные энергетические уровни валентной и примесной зон полупроводника р-типа окажутся на одной высоте с занятыми электронами энергетическими уровнями зоны проводимости и примесной зоны полупроводника n-типа.

При этом энергетический уровень Ферми полупроводника n-типа находится на одном уровне с энергией потолка валентной зоны полупроводника р-типа (W_Fn=W_Bp), а энергетический уровень Ферми полупроводника р-типа совпадает с энергией дна зоны проводимости полупроводника n-типа (W_Fp=W_Пn). В этом случае перекрытие зоны проводимости полупроводника n-типа с валентной зоной полупроводника р-типа будет максимальным, и количество туннельных переходов из зоны проводимости полупроводника n-типа в валентную зону полупроводника р-типа будет максимальным, значение туннельного тока p-n перехода будет также наибольшим. Отсюда при прямом напряжении U_ПР2 = U_П, называемым напряжением пика, ток p-n перехода I I_Tn = max и называется током пика (см. рис.2). В точке В ВАХ (см. рис.2) диффузионная составляющая тока p-n перехода I_D=I_Dn+I_Dp увеличивается, но, по сравнению с I_Tn = I_П, еще имеет очень малое значение, и полный ток p-n перехода в основном определяется туннельной составляющей тока: I_Tn >> I_D > I_E, l_ПР2 < l_ПР1.

Энергетическая (зонная) диаграмма для точки С ВАХ (см. рис.2) представлена на рис.5.

Рис.5. Энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода с туннельным эффектом при U_ПР3 > U_П

При прямом напряжении U_ПР3 > U_П происходит дальнейшее смещение энергетических уровней области полупроводника n-типа по отношению к энергетическим уровням полупроводника р-типа, перекрытие зоны проводимости полупроводника n-типа и валентной зоны полупроводника р-типа будет уменьшаться. Таким образом, количество свободных энергетических уровней валентной зоны полупроводника р-типа и количество занятых электронами энергетических уровней зоны проводимости полупроводника n-типа, находящихся напротив друг друга, будет уменьшаться, а это приводит к снижению количества туннельных переходов из зоны проводимости полупроводника n-типа в валентную зону полупроводника р-типа и, соответственно, туннельного тока p-n перехода.

Диффузионная составляющая тока в точке С ВАХ будет больше, чем в точке В (см. рис.2), но ее удельный вес в полном прямом токе p-n перехода все еще маленький, поэтому в точке С прямой ток равен: I_ПР I_Тn(C) >> I_D(C) > I_E.

Энергетическая (зонная) диаграмма для точки D вольтамперной характеристики (см. рис.2) изображена на рис.6.

При дальнейшем увеличении прямого напряжения U_ПР4 > U_ПР3 продолжается смещение энергетических уровней полупроводника n-типа относительно энергетических уровней полупроводника р-типа. При этом свободные энергетические уровни валентной зоны полупроводника р-типа находятся напротив запрещенной зоны полупроводника n-типа, а занятые энергетические уровни зоны проводимости полупроводника n-типа находятся напротив запрещенной зоны полупроводника р-типа и условия для туннельных переходов заметно ухудшаются. В идеальном случае туннельный эффект прекращается и I_T= 0. Напряжение U_пр4 = U _ВП получило название напряжения впадины, а прямой ток электронно-дырочного перехода, соответствующий напряжению впадины, называется током впадины I_ВП. Ток I_ВП в точке D ВАХ (см. рис.2) определяется суммой избыточного туннельного тока и нарастающего тока диффузии при прямом смещении p-n перехода.

Рис.6. Энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода с туннельным эффектом при U_ПР4 = U_ВП

В случае возрастания прямого напряжения U_ПР > U_ПР4 туннельная составляющая тока устремляется к нулю, а диффузионная составляющая прямого тока начинает экспоненциально возрастать за счет снижения энергетического барьера p-n перехода. В точке Е ВАХ (см. рис.2), когда I_Пр = I_П, напряжение на p-n переходе называется напряжением раствора (U_ПР = U_Р) прямой ветви ВАХ электронно-дырочного перехода с туннельным эффектом.

Обратная ветвь ВАХ p-n перехода с туннельным эффектом (участок OF рис. 2) определяется двумя составляющими токов электронно-дырочного перехода: I_E – дрейфовый ток p-n перехода, который образуется за счет направленного движения неосновных носителей заряда в ускоряющем электрическом поле электронно-дырочного перехода; I_T=I_Tp – туннельная составляющая тока, образованная туннельными переходами электронов с заполненных энергетических уровней валентной зоны полупроводника р-типа на свободные энергетические зоны проводимости полупроводника n-типа. Энергетическая (зонная) диаграмма p-n перехода для этого случая приведена на рис.7.

Рис.7. Энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода с туннельным эффектом при U = U_ОБР

Обратный ток на участке OF (см. рис.2) определяется суммой

I_ОБР= I_E + I_Tp. (12)

Туннельная составляющая тока I_ОБР c увеличением возрастает по экспоненциальному закону, а величина дрейфовой составляющей обратного тока (12) незначительна вследствие малой концентрации неосновных носителей заряда вp- и n- областях электронно-дырочного перехода на основе «вырожденных» полупроводников. В точке F ВАХ (см. рис.2) обратный ток равен току пика (I_ОБР = I_П), и эта величина тока достигается при малых значениях обратного напряжения (десятки милливольт).