1.2. Контакт вырожденных электронных и дырочных полупроводников.Туннельный диод

В очень сильных электрических полях становится возможным механизм образования свободных носителей заряда, называемый туннельным эффектом или эффектом Зинера. Как известно, у полупроводника, находящегося во внешнем электрическом поле с напряженностью , имеет наклон энергетических зон (рис.1.7). Наклон зон тем больше, чем больше напряженность электрического поля. На рис.1.7 представлена зонная структура собственного полупроводника при наличии сильного электрического поля. В этом случае возможен переход электрона из валентной зоны в зону проводимости благодаря туннельному эффекту. Вероятность туннельного перехода зависит от высоты и ширины потенциального барьера. В данном случае высота потенциального барьераАБ представляет собой шину запрещенной зоны .

Эффективная ширина барьера АВ=∆х может быть определена из разности потенциальной энергии электрона в зоне проводимости в точке В и в валентной зоне - в точке А. Так как потенциальная энергия с точностью до аддитивной постоянной есть , то эффективная ширина барьера

.

Следовательно, ширина потенциального барьера зависит от напряженности электрического поля. Переход электрона из точки А в точку В связан с переходом сквозь треугольный потенциальный барьер АБВ. Из квантовой механики известно, что вероятность перехода для барьера треугольной формы имеет вид:

. (1.3)

Из выражения (1.3) следует, что вероятность туннельного перехода из зоны в зону растет экспоненциально с ростом напряженности электрического поля . Кроме того, вероятность туннельного перехода будет больше у полупроводников с малыми значениями ширины запретной зоныи эффективной массы.

Вероятность туннельного перехода одна и та же для переходов как из валентной зоны в зону проводимости, так и из зоны проводимости в валентную зону. Но поскольку в валентной зоне электронов намного меньше, чем в зоне проводимости, то будет иметь место преимущественный переход электронов из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому туннельный эффект может приводить к значительному увеличению концентрации свободных носителей зарядов.

В p-n переходе, образованном двумя областями невырожденного электронного и дырочного полупроводников, ток обуславливается прохождением электронов над потенциальным барьером. В случае вырожденного полупроводника с концентрацией примесей в обеих областях порядка 10¹⁸-10²⁰ см^-3 переходный слой будет очень тонкий и возможно прохождение электронов через p-n переход в результате туннельного эффекта, поэтому вольтамперная характеристика будет принципиально отличаться от характеристики диода (рис.1.8).

Благодаря возникновению туннельного эффекта наблюдается резкий рост тока при обратной полярности напряжения (к p-области присоединен отрицательный вывод источника), а на участке прямого смещения появляется область отрицательного дифференциального сопротивления (рис.1.9). Значительный туннельный ток возникает в p-n переходах толщиной около 10нм, когда при контактной разности 1В напряженность поля в переходе приближается к 10В/см. Такая толщина перехода для большинства полупроводников наблюдается при концентрации примеси, лежащей в указанном выше диапазоне.

Рассмотрим ход вольт-амперной характеристики туннельного диода на различных участках. На рисунке 1.9 приведена упрощенная энергетическая диаграмма контакта вырожденных полупроводников при отсутствии внешнего смещения. Штриховкой показаны состояния, занятые электронами.

Значения ихарактеризуют степень вырождения соответствующих областей полупроводника и определяют суммарное перекрытие разрешенных энергетических зон. Благодаря наличию такого перекрытия электроны могут переходить из одной области в другую за счет туннелирования сквозь потенциальный барьер, форма которой близка к треугольной. Вероятность туннелирования определяется формулой (1.3) и слабо зависит от формы потенциального барьера, ее можно также считать независящей от направления движения электрона. При отсутствии внешнего смещения суммарный ток черезp-n переход равен нулю, что соответствует точке 1 на рис1.8.

Теперь допустим, что к p-n переходу приложено обратное смещение. В этом случае (рис.1.10) все энергии в n-области снижаются относительно p-области, и поток электронов из p-области в n-область резко возрастает, так как увеличивается количество заполненных уровней в полупроводнике p-типа, против которой при той же энергии лежат свободные уровни в зоне проводимости материала n-типа. Поток электронов в обратном направлении при этом уменьшается. Суммарный ток электронов обозначен стрелкой на рис.1.10, этому режиму соответствует точка 2 на рис.1.8. Увеличение обратного напряжения сопровождается ростом туннельного тока.

При небольших положительных напряжениях (рис.1.11) возрастает количество электронов, туннелирующих из n-области в p-область (эти переходы указаны стрелкой) при одновременном снижении встречного потока (точка 3 на рис.1.8).

При дальнейшем повышении прямого напряжения перекрытие разрешенных зон проходит через максимум и начинает уменьшаться, это приводит к снижению туннельного тока (точка 4 на рис.1.8). Увеличение входного напряжения до величины , когдасовпадает с, приводит к уменьшению туннельного тока до нуля.

Однако по мере повышения прямого смещения на p-n переходе высота потенциального барьера понижается, и будет возрастать диффузионный ток основных носителей заряда, способных преодолеть снижающийся потенциальный барьер. Ток будет увеличиваться по тому же закону, что и в обычном диоде (точка 5 на рис.1.8). Соответствующая зонная диаграмма представлена на рис. 1.12.

Из рисунка 1.13 следует, что наибольшее различие в вольт-амперной характеристике, рассчитанной теоретически и измеренной экспериментально, проявляются в области минимума тока, где его реальная величина существенно превосходит сумму расчетных значений для туннельной и диффузионной составляющих. В этой области существенное влияние оказывает изменение плотности состояний вблизи краев запрещенной зоны вырожденного полупроводника. Этот эффект проявляется в возникновении хвостов плотности

состояний, заходящих в запрещенную зону. Учет данного явления показывает, что туннельный ток не спадет до нуля при

,

так как при этом еще наблюдается перекрытие разрешенных состояний в n- и p- областях. Вторым существенным фактором, объясняющим увеличение реального тока в области минимума ВАХ туннельного диода, является наличие в запрещенной зоне полупроводника глубоких примесных уровней, которые обеспечивают избыточный туннельный ток при прямом смещении. Протекающий туннельный ток зависит от суммарной концентрации примесных состояний и их расположения в запрещенной зоне полупроводника.

Благодаря наличию участка отрицательного дифференциального сопротивления туннельный диод может быть использован для усиления и генерации колебаний. Принципиальным недостатком этих приборов, ограничивающим их практическое применение, является малая выходная мощность, что связано с незначительным изменением тока и напряжения на участке отрицательного дифференциального сопротивления. Наличие избыточного тока отрицательно сказывается на параметрах диода, так как приводит к снижению перепада тока на рабочем участке ВАХ.