3.5 Тунельний ефект
Тунельний ефектполягає в тому, що електрони проходять через потенційний бар'єр р-n переходу, не змінюючи своєї енергії. Для одержання тунельного ефекту використовується напівпровідниковий матеріал (германій, арсенід галію) з дуже великою концентрацією домішок.
Рис.19
Внаслідок високого вмісту домішок в обох областях напівпровідникового кристала ширина р-n переходу виявляється дуже малою (не більш 0,01 мкм), що приводить до значного підвищення напруженості електричного поля на переході (порядку 108В/м). В цих умовах є кінцева ймовірність того, що електрон, що рухається вбік дуже вузького бар'єра, пройде крізь нього (як через "тунель") і займе вільний стан з такою же енергією по іншу сторону від бар'єрного шару. Щоб підкреслити специфічність проходження електронів через р-n перехід, описане явище було названо тунельним ефектом.
Відомо, що збільшення концентрації донорних домішок зміщує рівень Фермі нагору, а збільшення концентрації акцепторних домішок - вниз відносно середини забороненої зони.
З рис.19 видно, що при відсутності зовнішньої напруги рівні Ферми WFnі WFрзбігаються, тому що величина енергії на рівні Фермі повинна бути однакової по всій структурі.
Всередині р-n переходу границі енергетичних зон напівпровідників р- і n- типів викривляються. Внаслідок того, що рівні Ферми у вироджених напівпровідниках розташовані за межами забороненої зони, при здійсненні контакту утвориться зона перекриття, розташована між границею валентної зони WB напівпровідника р - типа і границею зони провідності Wn напівпровідника n-типу. У цій зоні дозволені рівні електронного напівпровідника розташовані проти дозволених рівнів діркового напівпровідника. Для простоти міркувань будемо вважати, що всі дозволені рівні, розташовані нижче рівня Ферми, зайняті електронами, а розташовані вище його – вільні.
В дуже вузькому р-n-переході при високій напруженості поля виникають умови для безперешкодного тунельного проходження електронів з одного шару в іншій крізь потенційний бар'єр. Однак для цього необхідно, щоб проти зайнятого електроном рівня по одну сторону бар'єра був вільний рівень за бар'єром. При відсутності зовнішньої напруги (U = 0 на рис.19, а) такої можливості фактично немає, тому що зайнятим рівням у зоні провідності напівпровідника n-типу протистоять зайняті рівні у валентній зоні напівпровідника р-типа.
Якщо до р-n-переходу прикласти невелику пряма напруга, то висота потенційного бар'єра і перекриття зон зменшаться (рис.19, б). Енергетична діаграма напівпровідника n- типа підніметься нагору, а напівпровідника р - типа опуститься вниз. При цьому рівні деяких електронів провідності n- області розташуються проти вільних рівнів валентної зони р - області. Тим самим створюються сприятливі умови для тунельного переходу електронів з електронного напівпровідника в дірковий. Тому через р-n перехід потече тунельний струм, величина якого буде залежати від величини прикладеної прямої напруги, Слід зазначити, що при прямій напрузі через р-n перехід, крім тунельного струму, проходить і дифузійний струм Ідиф, який створюється переміщенням електронів і дірок провідності. Отже., повний струм р-n переходу при тунельному ефекті складає
.
Відзначимо також, що дифузійний струм у випадку використання вирожденних напівпровідників виявляється на кілька порядків менше струму в звичайному р-n переході. Це пояснюється дуже малою концентрацією неосновних носіїв через збільшення концентрації домішок. На рис.20показана вольт - амперна характеристика р-n переходу з тунельним ефектом. Основна її особливість полягає в тому, що при подачі прямої напруги, що перевищує деяку напругуU1, прямий тунельний струм починає різко зменшуватись.
Рис.
20
Наявність спадаючої ділянки ВАХ(АВ на рисунку 6) можна пояснити в такий спосіб. Збільшення прямої напруги, з одного боку, приводить до збільшення тунельного струму, а з іншої,- зменшує напруженість електричного поля в р-n переході. Тому при деякому значенню прямої напруги U2(рис.20, в), коли напруженість електричного поля в р-n-переході різко знижується, тунельний струм припиняється, а р-n-перехід здобуває звичайні властивості, зв'язані з проходженням через нього дифузійного струму (на рисунку 6 крива 1 в інтервалі після U2, що відповідає повному струму р-n-переходу, збігається з кривої 2 дифузійного струму, показаного пунктиром). При подачі на р-n-перехід зворотної напруги (рис.20, г) енергетична діаграма напівпровідника n- типа опускається вниз, а напівпровідника р - типа піднімається нагору. Ширина зони перекриття збільшується, що приводить до росту зворотного тунельного струму, оскільки виникають умови для вільного тунельного переходу валентних електронів р - області в зону провідності n- області. Величина зворотного струму залежить від величини зворотної напруги, зі збільшенням якого енергетичні зони n- і р- областей зміщуються сильніше.
Однобічна провідність р-n переходу при тунельному ефекті цілком відсутня (рисунок 20).
На цьому явищі заснована дія тунельних діодів, придатних для посилення і генерування НВЧ коливань і для побудови над швидкодіючих імпульсних пристроїв.