1.3.3. Тунельний ефект

Тунельний ефект полягає в тому, що електрони долають потенціальний бар’єр n-p переходу, не змінюючи своєї енергії.

Для отримання тунельного ефекту використовується напівпровідниковий матеріал (германій, арсенід галію) з високою концентрацією домішок – до 10²¹ атомів домішку на 1 см³, в той час як звичайна концентрація не перевищує 10¹⁵ см^–3. напівпровідник з таким високим вмістом домішок називаються виродженими.

Внаслідок високого вмісту домішок в обох областях напівпровідникового кристалу ширина n-p переходу виявляється дуже малою, що призводить до значного підвищення напруженості електричного поля на переході ( 10⁸ В/м). В цих умовах можливе те, що електрон, рухаючись в бік вузької зони n-p переходу, прослизне крізь неї (немов би через «тунель») і здобуде вільний стан по той бік бар’єрного шару, не змінивши своєї енергії. Щоб підкреслити специфічність такого проходження електронів через n-p перехід, описане явище отримало назву тунельний ефект.

Як вже зазначалось, збільшення концентрації донорних домішок підвищує рівень Фермі, а збільшення концентрації акцепторних домішок зменшує рівень Фермі відносно рівня середини забороненої зони. При концентрації домішок близько 10²¹ см^–3 рівень Фермі напівпровідника n-типу розташовується в зоні провідності, а для напівпровідника р-типу – у валентній зоні.

При відсутності зовнішньої напруги рівні Фермі в усіх областях (n-, p-, n-p) складного напівпровідника співпадають, оскільки величина енергії на рівні Фермі (W_F) повинна бути однаковою по всій структурі напівпровідника (рис. 1.8-а).

В області n-p переходу межі енергетичних зон викривлені – рівень дна зони провідності і стелі валентної зони підвищуються при переході від n-області до p-області. Внаслідок того, що рівні Фермі у вироджених напівпровідниках розташовані за межами забороненої зони, при контакті напівпровідників n- і р-типу утворюється зона перекриття, що розташована між стелею валентної зони напівпровідника р-типу і дном зони провідності напівпровідника n-типу. В цій зоні перекриття дозволені рівні напівпровідника n-типу розташовані навпроти дозволених рівнів напівпровідника р-типу. Для спрощення вважаємо, що дозволені рівні, які розташовані нижче рівня Фермі, зайняті електрони, а які розташовані вище нього – вільні. Як ілюструє рис. 1.8, при відсутності зовнішньої напруги зайнятим рівням зони провідності напівпровідника n-типу протистоять зайняті рівні валентної зони напівпровідника р-типу.

Якщо до n-p переходу прикласти невелику пряму напругу, то висота потенціального бар’єру зменшиться. Зміниться також розташування енергетичних зон в напівпровіднику – енергетична діаграма напівпровідника n-типу підвищиться, а р-типу знизиться (рис. 1.8-б). Відповідно зменшиться і зона перекриття. При цьому рівні деяких електронів провідності n-області розташуються навпроти вільних рівнів валентної зони p-області. Отже, створяться сприятливі умови для тунельного переходу електронів з n-області в p-область. Тому через n-p перехід потече тунельний струм, величина якого залежатиме від величини прикладеної прямої напруги. Крім струму, зумовленого тунельним ефектом, через n-p перехід почне протікати і незначний дифузійний струм, створений переміщенням електронів і дірок провідності при знижені потенціального бар’єру.

Вольт-амперна характеристика n-p переходу з тунельним ефектом наведена на рис. 1.9. При подальшому збільшені прикладеної прямої напруги (до U₁) тунельний струм зростатиме доки навпроти рівнів електронів провідності n-області є вільні рівні валентної зони p-області. Ширина зони перекриття при цьому зменшується

При подачі прямої напруги, що перевищує деяку певну напругу U₁, енергетичні рівні з електронами n-області все більше зміщуються в напрямку забороненої зони p-області, що утруднює їх тунельний перехід з n-області в p-область, і прямий тунельний струм почне різко спадати.

Ефект зменшення струму при збільшені прямої напруги характеризується від’ємним диференціальним опором (r_d = U /I < 0). Мінімуму струму через n-p перехід (при U_пр = U₂) відповідає нульове перекриття енергетичних зон.

При прямій напрузі U_пр > U₂ зменшується, а потім зовсім зникає потенціальний бар’єр, відбувається процес дифузії носіїв, тобто n-p перехід набуває звичайні властивості, пов’язані з проходженням через нього дифузійного струму.

При подачі на n-p перехід зворотної напруги енергетична діаграма напівпровідника n-типу опускається, а напівпровідника р-типу піднімається. Ширина зони перекриття збільшується, що призводить до зростання зворотного тунельного струму, оскільки створюються умови для вільного тунельного переходу валентних електронів p-області в зону провідності n-області. Величина зворотного струму залежить від величини зворотної напруги, із збільшенням якої енергетичні зони n- і p-області зміщуються сильніше. Одностороння провідність n-p переходу при тунельному ефекті повністю відсутня.