2.3. Вольтамперная характеристика реального электронно-дырочного перехода с туннельным эффектом

В реальном электронно-дырочном переходе с туннельным эффектом в сильной степени изменяется прямая ветвь ВАХ. В основном изменяется значение напряжения впадины. Если для идеального p-n перехода с туннельным эффектом U_ВП 2U_П, то для реального p-n перехода U_ВП (5–7) U_П.

Вольтамперная характеристика реального электронно-дырочного перехода с туннельным эффектом приведена на рис.8.

Рис.8. Вольтамперная характеристика реального p-n перехода с туннельным эффектом

Возрастание напряжения U_ВП на рис.8 вызвано наличием в p-n переходе избыточного туннельного тока. Электронно-дырочный переход, образованный «вырожденными» примесными полупроводниками, содержит в запрещенной зоне зонной диаграммы локальные энергетические уровни примесных атомов, которые образуются из-за наличия неконтролируемых примесей в исходных полупроводниках. Присутствие локальных энергетических уровней таких примесных атомов в запрещенной зоне приводит к появлению дополнительных туннельных переходов, а, следовательно, избыточного туннельного тока. Энергетическая диаграмма для этого случая приведена на рис.9.

При подаче прямого напряжения на реальный p-n переход с туннельным эффектом величиной более двух значений напряжения пика (U_ПР > 2U_П) имеют место туннельные переходы электронов с занятых энергетических уровней зоны проводимости полупроводника n- типа на локальные энергетические уровни примесных атомов в запрещенной зоне полупроводника р- типа, а затем уже с этих локальных энергетических уровней электроны переходят на свободные энергетические уровни валентной зоны полупроводника р-типа. Эти дополнительные туннельные переходы и образуют избыточный туннельный ток p-n-перехода, увеличивая тем самым участок туннельной составляющей прямого тока вольтамперной характеристики электронно-дырочного перехода (см. рис.8). В основном удлиняется «падающий участок» прямой ветви ВАХ (см. рис.8) (участок АВ, рис.8 с отрицательным дифференциальным сопротивлением r_{ДИФ АВ} < 0).

Рис. 9 . Энергетическая диаграмма реального электронно-дырочного перехода с туннельным эффектом при U_пр > 2U_П

Дифференциальное сопротивление участка АВ ВАХ (см. рис.8) определяется по формуле

, (13)

где U_П – напряжение пика; U_ВП – напряжение впадины; I_П – ток пика; I_ВП – ток впадины.

Точка В соответствует напряжению впадины ВАХ (см. рис.8) и образуется в месте пересечения диффузионной и туннельной составляющих прямого тока

I_ВП = I_D(B) + I_Tn(B). (14)

Точка С ВАХ (см. рис.8) определяет напряжение раствора U_р. В точке С значение диффузионной составляющей прямого тока становится равной току пика ВАХ (I_D = I_П). За счет смещения U_ВП в сторону бََольших прямых напряжений напряжение раствора U_p также возрастает по сравнению с его значением для ВАХ идеального p-n перехода с туннельным эффектом.

Электронно-дырочные переходы с туннельным эффектом изготавливаются с использованием полупроводниковых материалов на основе германия (Ge) и арсенида галлия (GaAs), так как в этом случае получается лучшее отношение тока пика к току впадины . При этомp-n переходы с туннельным эффектом имеют параметры, приведенные в табл. 1.

Величина тока пика I_П зависит от площади p-n перехода и степени легирования исходных «вырожденных» полупроводников. При увеличении концентрации примесей (N_ПР) возрастает и ток пика I_П. Электронно-дырочные переходы с туннельным эффектом на основе кремниевых полупроводников имеют малое отношение , поэтому на практике они не применяются.

Таблица 1

Параметры электронно-дырочного перехода с туннельным эффектом на основе германия и арсенида галлия

Параметры	Материал полупроводника p-n-перехода
	Ge	GaAs
UП, мВ	40–90	100–180
UВП, мВ	250–350	400–700
UР, В	0,40–0,45	1,0–1,2
	5–20	8–40