Понятие и особенности электронно-дырочных переходов с туннельным эффектом

ТУННЕЛИРОВАНИЕ В СИЛЬНОЛЕГИРОВАННЫХ p-n переходах

Лекция 16

Туннельный эффект или туннелирование – это преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда ее полная энергия меньше высоты барьера.

Туннельный эффект – явление исключительно квантовой природы, невозможное в классической механике. При характеристике туннельного эффекта вводится понятие вероятности прохождения частицей сквозь потенциальный барьер. Эта вероятность тем больше, чем меньше масса частицы, чем уже потенциальный барьер и чем ближе энергия частиц к значению энергии потенциального барьера, причем туннельные переходы происходят без изменения энергии частиц.

Для электронно-дырочных переходов туннельный эффект наблюдается только при очень малой ширине p-n перехода l ₀ £ 10^{-6 см, т.е. в переходах между высоколегированными р+}- и n⁺- областями (N _Д, N _A > 10¹⁸ см^-3).

Туннельный эффект проявляется путем просачивания электронов сквозь узкий энергетический (потенциальный) барьер p-n перехода без изменения энергии. Причем, ширина энергетического барьера меньше толщины обедненного слоя полупроводника l ₀.

Вероятность туннельных переходов в электронно-дырочном переходе зависит от напряженности электрического поля Е и выражается количеством переходов электронов в единицу времени, электронов/сек:

,

где N _ЭЛ – количество электронов, t – время.

При напряженности электрического поля Е = 10⁵ В/см значение
р = 1 эл/с (один электрон в секунду), а при Е = 10⁶ В/см – р = 10¹² эл/с.

При внесении большой концентрации примесей N _А, N _Д = (10¹⁸…10²⁰) см ^–3 в области полупроводников р- и n-типов происходит расщепление примесных энергетических уровней с образованием примесных энергетических зон, которые проникают в разрешенные зоны: зону проводимости полупроводника n-типа; валентную зону полупроводника р-типа. Энергетический уровень Ферми в этом случае располагается в разрешенных зонах «вырожденных» полупроводников.

Энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода на основе сильнолегированных примесных полупроводников в равновесном состоянии приведена на рис.1.

На энергетической диаграмме обозначены: W _B – энергетический уровень потолка валентной зоны; W _П – энергетический уровень дна зоны проводимости; W _F – энергетический уровень Ферми; заштрихованы все энергетические уровни занятые электронами; - обозначены свободные энергетические уровни зоны проводимости.

Рис.1. Энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода с туннельным эффектом в равновесном состоянии

Для энергетической диаграммы электронно-дырочного перехода (см. рис.1) имеем

,

.

Например, для p-n-перехода на основе германия: φ_k = 0,65 В, l ₀ = 10^{-6 см, Е} ₀ = В/см. При этом в электронно-дырочном переходе вероятности туннельных переходов электронов из р-области в n-область и обратно одинаковы. Поэтому встречные потоки электронов равны, а суммарный туннельный ток через p-n переход равен нулю:

, (1)

где I _{T p} – туннельный ток, образованный туннельными переходами электронов из полупроводника р-типа в полупроводник n-типа; I _{T n} – туннельный ток, создаваемый туннельными переходами электронов из полупроводника
n-типа в полупроводник р-типа.

В условиях равновесного состояния электронно-дырочного перехода изоэнергетические уровни (уровни с одинаковыми значениями энергии) по обе стороны перехода либо заняты, либо свободны с одинаковой вероятностью и туннельный ток в p-n переходе равен нулю (I _T = 0).

В электронно-дырочном переходе, образованном сильнолегированными («вырожденными») примесными полупроводниками, имеют место диффузионные и дрейфовые составляющие токов, как и в обычном
p-n переходе:

, ,

где I_Dn – электронная составляющая диффузионного тока; I_Dp – дырочная составляющая диффузионного тока; I_Еn – электронная составляющая дрейфового тока; I_Еp – дырочная составляющая дрейфового тока.

При этом концентрация основных носителей заряда в области
p-n перехода очень высока:

, ,

Диффузионная составляющая тока образуется движением основных носителей заряда в p-n переходе, и она будет небольшой в силу значительной величины потенциального барьера, определяемой контактной разностью потенциалов:

,

где φ _k – контактная разность потенциалов; – температурный потенциал; N _А – концентрация акцепторов в полупроводнике р-типа; N _Д – концентрация доноров в полупроводнике n-типа; n_i – концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике. Для сильнолегированных примесных полупроводников имеет место большое значение N _А, N _Д, поэтому в p-n переходе на основе данных примесных полупроводников получают высокое значение контактной разности потенциалов φ _k.

Значение дрейфовой составляющей тока p-n перехода в данном случае невелико, так как мала концентрация неосновных носителей заряда в обеих областях p-n-перехода. Условие равновесия электронно-дырочного перехода в общем виде запишется:

I_D+I_E+I _T = 0,

или

I_Dn+I_Dp+I_En+I_Ep+I _{T n} +I _{T p} = 0.

Дата добавления: 2014-01-04