Графики ВАХ
Зависимость проницаемости D барьера с потенциальной ямой с одним уровнем энергии Elev=1,66 от энергии E.
Контрольные вопросы.
1.Образование p-n-перехода.
p – n переходом называют область, находящуюся на границе раздела между дырочной и электронной областями одного кристалла. Переход создаётся не простым соприкосновением полупроводниковых пластин p и n типа. Он создаётся в одном кристалле введением двух различных примесей, создающем в нём электронную и дырочную области.
Рассмотрим полупроводник, в котором имеются две области: электронная и дырочная. В первой – высокая концентрация электронов, во второй – высокая концентрация дырок. Согласно закону выравнивания концентрации электроны стремятся перейти (диффундировать) из n – области, где их концентрация выше в p – область, дырки же – наоборот. Такое перемещение зарядов называется диффузией. Ток, который при этом возникает – диффузионным. Выравнивание концентраций происходило бы до тех пор, пока дырки и электроны не распределились бы равномерно, но этому мешают силы возникающего внутреннего электрического поля. Дырки, уходящие из p – области оставляют в ней отрицательно ионизированные атомы, а электроны, уходящие из n области – положительно ионизированные атомы. В результате дырочная область становится заряженной отрицательно, а электронная – положительно. Между областями возникает электрическое поле, созданное двумя слоями зарядов.
Таким образом, вблизи границы раздела электронной и дырочной областей полупроводника возникает область, состоящая из двух слоёв противоположных по знаку зарядов, которые образуют так называемый p – n переход. Между p и n областями устанавливается потенциальный барьер.
2.Действие внешнего напряжения на p-n-переход в полупроводниках.
При включении контактирующих n- и р-полупроводников во внешнюю цепь источника электрической энергии внешнее электрическое поле, усиливая поле контактного слоя, вызовет движение электронов в n-полупроводнике и дырок в р-полупроводнике в противоположные стороны от контакта. Толщина запирающего слоя и его сопротивление будут возрастать. Такое направление внешнего электрического поля называется запирающим. В этом направлении ток через р-n-переход практически не проходит. При изменении полярности внешнего приложенного напряжения (рис. VII.2.22) внешнее электрическое поле с напряженностью Евнешн направлено противоположно полю контактного слоя. Встречное движение электронов и дырок, перемещающихся под действием внешнего поля из глубины полупроводников к области р-n-перехода, увеличивает число подвижных носителей тока на контакте. Толщина и сопротивление контактного слоя при этом уменьшаются, и в таком пропускном направлении электрический ток проходит через р-n-переход. Вентильное действие р-n перехода аналогично выпрямляющему действию двухэлектродной лампы—диода, и полупроводниковое устройство, содержащее один/два перехода, называется полупроводниковым диодом. Кристаллические триоды, или транзисторы, содержат два р-n-перехода.
Если полупроводник включить в электрическую цепь так, что напряженность внешнего поля будет направлена против напряженности поля на контакте, то динамическое равновесие нарушится и через контакт потечет ток основных носителей (б). Такое включение называется прямым или проводящим. Если направление напряженности внешнего электрического поля совпадает с направлением напряженности поля на границе двух областей, то через полупроводник потечет только небольшой ток неосновных носителей, значение которого мало зависит от приложенного напряжения, так как даже при наличии небольшого поля на границе ток неосновных носителей достигает насыщения. Такое включение называется обратным (а).
Подключение p-n-перехода к источнику внешнего напряжения а – обратное смещение, б - прямое смещение.
3. Действие внешнего напряжения на p-n-переход в сильно легированных полупроводниках.
В туннельном диоде материал должен быть сильно легированным, чтобы уровень Ферми n-области находился в зоне проводимости, а уровень Ферми р-области — в валентной зоне (а). При таком легировании с концентрацией примеси 1019 - 1020 см-3 примесные состояния перестают быть изолированными в кристалле. Они начинают перекрываться с зоной проводимости или валентной зоной: уровень Ферми при этом смещается в одну из зон и газ носителей заряда в этой зоне становится вырожденным. Это приводит не только к очень малой ширине р — n-перехода (~1 нм), но и к очень важному изменению вольтамперной характеристики диода. Обедненный слой становится настолько тонким, что туннелирование электронов происходит даже при очень небольших смещениях.
Принцип действия туннельного диода. Вследствие сильного легирования уровень Ферми не находится в запрещенной зоне, а — нулевое смещение; б — обратное смещение; в — небольшое прямое смещение; г — большое прямое смещение.
Рассмотрим сначала случай обратного смещения (б). Если к туннельному диоду приложить обратное напряжение, то электроны из р-области (с энергиями в верхней части валентной зоны, т.е. электроны, образующие ковалентные связи), непосредственно окажутся (и физически, и по энергии) напротив вакантных состоянии n-области, и через переход потечет туннельный ток. Таким образом, в этом случае диод действует как обычный проводник. Подобный эффект имеет место при туннельном пробое в стабилитроне.
Если же к туннельному диоду приложить небольшое прямое напряжение (в), то он будет вести себя как проводник вплоть до некоторого критического напряжения, при котором энергия дна зоны проводимости n-области сравняется с потолком валентной зоны р-области. При этом туннельный эффект прекращается, поскольку для электронов зоны проводимости не оказывается разрешенных энергетических состояний по другую сторону перехода. При прямом напряжении, превышающем напряжение отсечки туннельного тока (г), проводимость, как и в обычном диоде, целиком обеспечивается тепловым возбуждением электронов.
Туннельный эффект: свойства волновой функции и проницаемости потенциального барьера.
Туннельный эффект — квантовое явление проникновения микрочастицы из одной классически доступной области движения в другую, отделённую от первой потенциальным барьером. Если рассматривается микрообъект, например, электрон в потенциальной яме, то в отличие от классической механики существует конечная вероятность обнаружить этот объект в запрещенной области пространства, там, где его полная энергия меньше, чем потенциальная энергия в этой точке. Вероятность обнаружения частицы в какой-либо точке пространства пропорциональна квадрату модуля волновой функции ј. При подлёте к потенциальному барьеру частица пройдёт сквозь него лишь с какой-то долей вероятности, а с какой-то долей вероятности отразится. Главная особенность заключается в том, что очень малая величина (постоянная Планка) стоит в знаменателе экспоненты, вследствие чего коэффициент туннелирование через барьер классической частицы большой массы очень мал. Чем меньше масса частицы, тем больше и вероятность туннельного эффекта. Так, при высоте барьера в 2 эВ и ширине 10-8 см вероятность прохождения сквозь барьер для электрона с энергией 1 эВ равна 0,78, а для протона с той же энергией лишь 3,6е10-19. Если же взять макроскопическое тело — шарик массой в 1 г, движущийся по горизонтальной поверхности с очень малой скоростью (кинетическая энергия близка к нулю), то вероятность преодоления им препятствия — лезвия бритвы толщиной 0,1 мм, выступающего над горизонтальной поверхностью на 0,1 мм, равна 10-26. Прохождение частицы сквозь потенциальный барьер можно пояснить и с помощью соотношения неопределённостей. Неопределённость импульса " р на отрезке х, равном ширине барьера а, составляет: р > а. Связанная с этим разбросом в значениях импульса кинетическая энергия может оказаться достаточной для того, чтобы полная энергия частицы оказалась больше потенциальной.