2. Вольт-амперная 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.

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

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

Рассмотрим вольтамперную характеристику идеального p-nперехода при наличии туннельного эффекта (см. 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 вp-nпереходе происходят уменьшение высоты потенциального барьера и смещение энергетических уровнейn-области относительно энергетических уровней р-области (рис.3).

Рис.3. Энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода с туннельным эффектом при U_П>U_пр1>0

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 проводимостиn-области, которые заполнены электронами. Поэтому будет происходить преимущественное туннелирование электронов из полупроводникаn-типа в полупроводникp-типа на свободные энергетические уровни валентной зоны:I_Tn>>I_Tp, I I_Tn.

В точке АВАХ (см. рис.2) имеет место и диффузионная составляющая токаp-nперехода:I_D=I_Dn+I_Dp. Поскольку степень легирования области полупроводникаn- иp- типов одинакова, токиI_Dn, I_Dpбудут иметь равные значения, но их величина при данном прямом напряженииU_пр1невелика, потому что существует еще большое значение высоты потенциального барьера (φ_k – U_пр1) и малое количество основных носителей зарядаp- иn-областей полупроводника, способных преодолеть этот потенциальный (энергетический) барьер.

Энергетическая (зонная) диаграмма для точки ВВАХ (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-nпереходе 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 полупроводникаn-типа.

При этом энергетический уровень Ферми полупроводникаn-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 полупроводникаn-типа (W_Fp=W_Пn). В этом случае перекрытие зоны проводимости полупроводникаn-типа с валентной зоной полупроводника р-типа будет максимальным, и количество туннельных переходов из зоны проводимости полупроводникаn-типа в валентную зону полупроводника р-типа будет максимальным, значение туннельного токаp-nперехода будет также наибольшим. Отсюда при прямом напряженииU_пр2 = U_П, называемым напряжением пика, токp-nпереходаI_П I_Tn = maxи называется током пика (см. рис.2). В точкеВВАХ (см. рис.2) диффузионная составляющая токаp-nпереходаI_D=I_Dn+I_Dp увеличивается, но, по сравнению сI_Tn = I_П,еще имеет очень малое значение, и полный токp-nперехода в основном определяется туннельной составляющей тока:I_Tn >> I_D >> I_E, l_пр2 < l_пр1.

Энергетическая (зонная) диаграмма для точки СВАХ (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_Ппроисходит дальнейшее смещение энергетических уровней области полупроводникаn-типа по отношению к энергетическим уровням полупроводника р-типа, перекрытие зоны проводимости полупроводникаn-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 полупроводникаn-типа, находящихся напротив друг друга, будет уменьшаться, а это приводит к снижению количества туннельных переходов из зоны проводимости полупроводникаn-типа в валентную зону полупроводника р-типа и, соответственно, туннельного токаp-nперехода.

Диффузионная составляющая тока в точке СВАХ будет больше, чем в точкеВ(см. рис.2), но ее удельный вес в полном прямом токеp-nперехода все еще маленький, поэтому в точкеСпрямой ток равен:I_прI_Тn(C) >> I_D(C) >> I_E.

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

При дальнейшем увеличении прямого напряжения U_пр4 > U_пр3продолжается смещение энергетических уровней полупроводникаn-типа относительно энергетических уровней полупроводника р-типа. При этом свободные энергетические уровни валентной зоны полупроводника р-типа находятся напротив запрещенной зоны полупроводникаn-типа, а занятые энергетические уровни зоны проводимости полупроводникаn-типа находятся напротив запрещенной зоны полупроводника р-типа и условия для туннельных переходов заметно ухудшаются. В идеальном случае туннельный эффект прекращается иI_T = 0. НапряжениеU_пр4 = U _ВПполучило название напряжения впадины, а прямой ток электронно-дырочного перехода, соответствующий напряжению впадины, называется током впадиныI_ВП. Ток I_ВПв точкеDВАХ (см. рис.2) определяется суммой избыточного туннельного тока и нарастающего тока диффузии при прямом смещенииp-nперехода.

Рис.6. Энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода с туннельным эффектом при U_пр4 = U_ВП

В случае возрастания прямого напряжения U_пр > U_пр4туннельная составляющая тока устремляется к нулю, а диффузионная составляющая прямого тока начинает экспоненциально возрастать за счет снижения энергетического барьераp-nперехода. В точкеЕВАХ (см. рис.2), когдаI_пр = I_П, напряжение наp-nпереходе называется напряжением раствора (U_пр = U_Р) прямой ветви ВАХ электронно-дырочного перехода с туннельным эффектом.

Обратная ветвь ВАХ p-nперехода с туннельным эффектом (участокOF рис. 2) определяется двумя составляющими токов электронно-дырочного перехода:I_E– дрейфовый токp-nперехода, 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 полупроводникаn-типа. Энергетическая (зонная) диаграммаp-nперехода 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 суммойI_обр= I_E + I_Tp.

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