Лекция № 5
1.9.9. Электронно-дырочный переход с туннельным эффектом
При высокой концентрации донорной и акцепторной примеси уровень Ферми располагается не в запрещенной зоне, как у классических полупроводников, а в зоне проводимости n-полупроводника и в валентной зоне р-полупроводника. Такие полупроводники получили название вырожденных и их свойства близки к свойствам металлов. Если создать n-p-переход из таких полупроводников, то зонная диаграмма, на n-p-переходе будет иметь вид показаний на (рис. 1.26).
Как видно, в таких переходах потенциальные уровни зоны проводимости n-полупроводника оказываются ниже потенциальных уровней валентной зоны р-полупроводника, и так как l0 находится в обратной зависимости от концентрации, то обедненный слой получается очень узким, и, следовательно, «прозрачным» для движения электронов. Таким образом, появляется возможность прямого перехода, без изменения энергии, электронов из зоны проводимости n-полупроводника в валентную зону р-полу-проводника и обратно. Этот эффект, открытый в 1958 г. японским ученым Лео Эсаки, получил название туннельного эффекта, а ток – туннельного тока р-n-перехода. Наличие на р-n-переходе, кроме диффузионного и дрейфового, еще и туннельного тока значительно изменяет ВАХ перехода, а также частотные и импульсные свойства, позволяя использовать данный переход в импульсный и высокочастотных устройствах. Более подробно ВАХ и применение таких приборов будет рассмотрено в разделе «Туннельные диоды».
1.9.10. Электронно-дырочный переход с различной шириной запрещенной зоны
Такие переходы получили название гетерпереходов и могут представлять собой контакт кремний-германий, германий-арсенид галия и другие. Как известно, ширина запрещенной зоны у кремния 1,11 В, а у германия 0,76 В. В результате такого контакта на границе перехода происходит разрыв или скачек потенциальных уровней (рис. 1.27) в валентной зоне v и в зоне проводимости c. Эти потенциальные разрывы не одинаковы c < v, так как c определяется только работой выхода электронов из р- и n-полупроводников, а v еще и разным потенциалом vGe и vSi. Поэтому высота потенциального барьера для электронов и дырок будет разной, а не одинаковой как в симметричных n-p-переходах.
Если мы подадим на переход прямое напряжение определенной величины, потенциальный барьер для электронов снизится на величину, достаточную для активной инжекции электронов в р-область, а для дырок это снижение будет недостаточным и их инжекция практически будет отсутствовать. Односторонняя инжекция может повысить быстродействие электронных приборов и является необходимым условием для создания светодиодов. Она может быть получена и в обычных переходах, если Nд >> Nа или наоборот, однако при этом ухудшаются параметры р-n-перехода за счет внесения вместе с примесью «вредных» дополнительных веществ.
Гетерпереход может быть получен при контакте полупроводников одинаковой проводимости n–n и р–р. В этом случае прибор работает на основных носителях и переключение его будет происходить быстрее, так как не требуется времени на рассасывание неосновных носителей, которые присутствует на р-n-переходе. Такие переходы нашли применение в импульсных схемах, обеспечивая высокое быстродействие.