Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
Лавинное умножение и пролетные эффекты для генерации мощного излучения
Эмиссия через барьер и пролетные эффекты Захват плазмы в лавинно-
пролетном диоде
Электроны переходят из низкоэнергетических состояний с высокой
подвижностью в высокоэнергетические состояния с низкой подвижностью
ционально exp \2k (0) W\. Оно очень мало, и поэтому туннельные приборы
можно использовать в диапазоне миллиметровых волн.
9.2. ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД
Благодаря высокой надежности и совершенству технологии изготовления
Туннельные диоды используются в специальных СВЧ-приборах с низким уровнем
мощности, таких, как гетеродин и схемы для синхронизации частоты. В
данном разделе описаны характеристики туннельных диодов на постоянном
токе и в СВЧ-диапазоне.
Туннельный диод представляет собой простой р-"-переход, обе стороны
которого вырождены (т. е. очень сильно легированы примесями). На рис. 1
приведена энергетическая диаграмма туннельного диода, находящегося в
состоянии термического
Туннельные приборы
97
Обедненный
Рис. 1. Энергетическая диаграмма туннельного диода в состоянии
термического равновесия. Vp и Vn - степени вырождения р-области и п-
области соответственно.
равновесия. В результате сильного легирования уровень Ферми проходит
внутри разрешенных зон. Степени вырождения Vp и Vn обычно составляют
несколько kT/q, а ширина обедненного слоя -100 А и меньше, т. е. намного
меньше, чем в обычном р-ft-переходе.
На рис. 2, а приведена типичная статическая вольт-амперная характеристика
туннельного диода, из которой видно, что ток в обратном направлении
(потенциал p-области отрицателен по отношению к потенциалу я-области)
монотонно увеличивается. В прямом направлении ток сначала возрастает до
максимального значения (пикового значения 1Р) при напряжении VP, а затем
уменьшается до минимальной величины Iv при напряжении Vv. При
напряжениях, превышающих Vv, ток возрастает с ростом напряжения по
экспоненциальному закону. Полный статический ток диода представляет собой
сумму тока туннелирования из зоны в зону, избыточного и диффузионного
тока (рис. 2, б).
Сначала проведем качественный анализ туннельных процессов при температуре
абсолютного нуля для упрощенной зонной структуры (рис. 3) [3]. Отметим,
что уровни Ферми проходят внутри разрешенных зон полупроводника, и в
состоянии термического равновесия (рис. 3, б) уровень Ферми постоянен по
всему полупроводнику. Выше уровня Ферми все состояния по обеим сторонам
перехода оказываются пустьпуш, а ниже уровня Ферми все разрешенные
состояния по обеим сторонам перехода запол-
Глава §
Рис. 2. Типичная статическая вольт-амперная характеристика туннельного
диода (а) и три компоненты полного тока в туннельных диодах (б).
пени электронами. Поэтому в отсутствие приложенного напряжения туннельный
ток не протекает.
При подаче напряжения на переход электроны могут туннелировать из
валентной зоны в зону проводимости или наоборот. Для протекания
туннельного тока необходимо выполнение следующих условий: 1)
энергетические состояния на той стороне перехода, откуда туннелируют
электроны, должны быть заполнены; 2) на другой стороне перехода
энергетические состояния с той же энергией должны быть пустыми; 3) высота
и ширина потенциального барьера должны быть достаточно малыми, чтобы
существовала конечная вероятность туннелирования; 4) должен сохраняться
квазиимпульс.
На рис. 3, а показано, как туннелируют электроны из валентной зоны в зону
проводимости при обратном напряжении на диоде. Соответствующая величина
тока отмечена точкой на вольт-ам-
Туннельные приборы
99
i I. i. I) i
\J hj \J \J
-------------------Э
в
z
d
Рис. 3. Упрощенные энергетические диаграммы туннельного диода [3].
а - при обратном смещении; 6 - в тепловом равновесии, при нулевом
смещении; в -• при прямом смещении, обеспечивающем максимальное значение
тока; г - при прямом смещения, соответст:,ующем протеканию тока, близкого
к долинному; д - при прямом смещении, соответствующем диффузионному току.
перной характеристике. При прямом напряжении (рис. 3, в) существует
диапазон энергий, при которых состояния в я-области заполнены, а
разрешенные состояния в /7-области пусты. Естественно, что при этом
электроны могут туннелировать из п-области в /7-область. При увеличении
прямого напряжения число разрешенных пустых состояний в /7-области, в
которые могут туннелировать электроны из я-области, уменьшается (рис. 3,
г). Если же прямое напряжение имеет такое значение, что зоны "не
перекрываются", т. е. энергия дна зоны проводимости точно совпадает с
энергией потолка валентной зоны, то неразрешенные пустые состояния,
соответствующие заполненным состояния:*!, отсутствуют. Следовательно, в
этой точке туннельный ток должен исчезать. При дальнейшем увеличении
напряжения будет протекать обычный диффузионный ток (рис. 3, д), который
экспоненциально возрастает с ростом напряжения. Таким образом, следует
ожидать, что при увеличении прямого напряжения туннельный ток сначала
