Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

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-n перехода 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 в p-n переходе происходят уменьшение высоты потенциального барьера и смещение энергетических уровней n-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 проводимости n-области, которые заполнены электронами. Поэтому будет происходить преимущественное туннелирование электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа на свободные энергетические уровни валентной зоны: I T n >>I T p , I I T n .

В точке А ВАХ (см. рис.2) имеет место и диффузионная составляющая тока p-n перехода: ID=IDn+IDp. Поскольку степень легирования области полупроводника n- и p- типов одинакова, токи IDn, IDp будут иметь равные значения, но их величина при данном прямом напряжении U пр1 невелика, потому что существует еще большое значение высоты потенциального барьера (φ k – U пр1) и малое количество основных носителей заряда p- и n-областей полупроводника, способных преодолеть этот потенциальный (энергетический) барьер.

Энергетическая (зонная) диаграмма для точки В ВАХ (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-n переходе 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 полупроводника n-типа.

При этом энергетический уровень Ферми полупроводника n-типа находится на одном уровне с энергией потолка валентной зоны полупроводника р-типа (WFn=WBp), а энергетический уровень Ферми полупроводника р-типа совпадает с энергией дна зоны проводимости полупроводника n-типа (WFp=WПn). В этом случае перекрытие зоны проводимости полупроводника n-типа с валентной зоной полупроводника р-типа будет максимальным, и количество туннельных переходов из зоны проводимости полупроводника n-типа в валентную зону полупроводника р-типа будет максимальным, значение туннельного тока p-n перехода будет также наибольшим. Отсюда при прямом напряжении U пр2 = U П, называемым напряжением пика, ток p-n перехода I П I T n = max и называется током пика (см. рис.2). В точке В ВАХ (см. рис.2) диффузионная составляющая тока p-n перехода ID=IDn+IDp увеличивается, но, по сравнению с ITn = I П, еще имеет очень малое значение, и полный ток p-n перехода в основном определяется туннельной составляющей тока: I T n >> ID >> IE, l пр2 < l пр1.

Энергетическая (зонная) диаграмма для точки С ВАХ (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 П происходит дальнейшее смещение энергетических уровней области полупроводника n-типа по отношению к энергетическим уровням полупроводника р-типа, перекрытие зоны проводимости полупроводника n-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 полупроводника n-типа, находящихся напротив друг друга, будет уменьшаться, а это приводит к снижению количества туннельных переходов из зоны проводимости полупроводника
n-типа в валентную зону полупроводника р-типа и, соответственно, туннельного тока p-n перехода.

Диффузионная составляющая тока в точке С ВАХ будет больше, чем в точке В (см. рис.2), но ее удельный вес в полном прямом токе p-n перехода все еще маленький, поэтому в точке С прямой ток равен:
I пр I Т n(C) >> ID(C) >> IE.

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

При дальнейшем увеличении прямого напряжения U пр4 > U пр3 продолжается смещение энергетических уровней полупроводника n-типа относительно энергетических уровней полупроводника р-типа. При этом свободные энергетические уровни валентной зоны полупроводника р-типа находятся напротив запрещенной зоны полупроводника n-типа, а занятые энергетические уровни зоны проводимости полупроводника n-типа находятся напротив запрещенной зоны полупроводника р-типа и условия для туннельных переходов заметно ухудшаются. В идеальном случае туннельный эффект прекращается и I T = 0. Напряжение U пр4 = U ВП получило название напряжения впадины, а прямой ток электронно-дырочного перехода, соответствующий напряжению впадины, называется током впадины I ВП. Ток I ВП в точке D ВАХ (см. рис.2) определяется суммой избыточного туннельного тока и нарастающего тока диффузии при прямом смещении p-n перехода.

Рис.6. Энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода с туннельным эффектом при U пр4 = U ВП

 

В случае возрастания прямого напряжения U пр > U пр4 туннельная составляющая тока устремляется к нулю, а диффузионная составляющая прямого тока начинает экспоненциально возрастать за счет снижения энергетического барьера p-n перехода. В точке Е ВАХ (см. рис.2), когда
I пр = I П, напряжение на p-n переходе называется напряжением раствора
(U пр = U Р) прямой ветви ВАХ электронно-дырочного перехода с туннельным эффектом.

Обратная ветвь ВАХ p-n перехода с туннельным эффектом (участок OF рис. 2) определяется двумя составляющими токов электронно-дырочного перехода: IE – дрейфовый ток p-n перехода, который образуется за счет направленного движения неосновных носителей заряда в ускоряющем электрическом поле электронно-дырочного перехода; I T =I T p – туннельная составляющая тока, образованная туннельными переходами электронов с заполненных энергетических уровней валентной зоны полупроводника р-типа на свободные энергетические зоны проводимости полупроводника n-типа. Энергетическая (зонная) диаграмма p-n перехода 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 суммой I обр = IE + I T p .

Туннельная составляющая тока I обр c увеличением возрастает по экспоненциальному закону, а величина дрейфовой составляющей обратного тока (12) незначительна вследствие малой концентрации неосновных носителей заряда в p- и n-областях электронно-дырочного перехода на основе «вырожденных» полупроводников. В точке F ВАХ (см. рис.2) обратный ток равен току пика (I обр = I П), и эта величина тока достигается при малых значениях обратного напряжения (десятки милливольт).

 




Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-04; Просмотров: 1135; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.012 сек.