Физика полупроводниковых приборов - Зи С.М.
Скачать (прямая ссылка):
значения '(пиковый ток или 1р) гари напряжении Up, а затем умень-
шается до минимального значения Iv при напряжении Uv- При напряжениях,
больших, чем <Uv, ток возрастает 'экспоненциально.
Статическая характеристика складывается из нескольких компонент;
туннельного тока зона - зона, тока долины, экспоненциального из
быточного тока и диффузионного тока (рис. 5,6). В этом .разделе мы
рассмотрим туннельную составляющую; другие компоненты рассматриваются в
следующем разделе.
Проведем качественное рассмотрение процесса туннелирования при
температуре абсолютного нуля, используя упрощенную зонную структуру (рис.
6). Отметим, что уровни Ферми расположены внутри разрешенных зон, и в
условиях теплового равновесия (рис. 6,6) уровень Ферми везде .постоянен.
И с той и с другой стороны р-п перехода выше уровня Ферми отсутствуют
заполненные состояния,
Рис. 4. Теоретическая кривая "хвоста-" плотности состояний. Значения
ординат пропорциональны плотности состояний, а значения абсцисс
пропорциональны энергии.
3. Механизм туннелирования
ia \ниже уровня Ферми -отсутствуют свободные состояния. Таким образам,
дри -нулевой температуре и отсутствии внешнего напряжений туннельный ток
протекать не м-ожет.
При приложении внешнего смещения электроны могут туннелировать из
валентной зоны в зону проводимости и наоборот. Необходимыми условиями
туннели-рования являются наличие заполнен-
Тиннельный ГуДиффУЗи
I ток I ¦ онныи то" зона-зона I \ ,
/ иэкепонен-Ток / циальный Долины/ /!избыточный W /.'J ток S U
Рис. 5. Вольт-амперная характеристика туннельного диода. а - статическая
вольт-амиерная характеристика типичного туннельного диода; 1р н Up-
пиковый ток н пиковое напряжение; Iv и Uv-ток н напряжение в минимуме;
UPP - напряжение, прн котором ток равен 1р\ б- различные токовые
компоненты вольт-амперной характеристики.
Рис. 6. Упрощенная зонная структура туннельного диода.
а - обратное смещение; 6 - тепловое равновесие; в - прямое смещение, прн
котором возникает пиковый ток; г - прямое смещение, при котором
начинается ток долины; д-прямое смещение, при котором течет диффузионный
ток [Л. 48].
ных состояний с той стороны перехода, отиудй электрон туннелирует;
наличие свободных уровней с той же энергией с другой стсуроны перехода;
высота потенциального барьера должна быть достаточно малой, а ширина
барьера - достаточно узкой, чтобы существовала конечная вероятность для
электрона протуннелировать сквозь барьер; квазиим-пудьс "в процессе
туннелирования должен быть постоянным.
На рис. 6,а показано туннелирование электрона из валентной зоны' в зону
проводимости при приложении обратного смещения.
Соответствующий этому случаю ток отмечен точкой на вольт-амперной
характеристике. При приложении прямого смещения (рис. 6,б) существует
область значений энергии, для которой имеются заполненные состояния с n-
стороны и соответствующие свободные состояния с р-стороны. При увеличении
прямого смещения количество свободных уровней с р-стороны уменьшается
(рис. 6,а). Если приложено прямое напряжение такой величины, что зоны "не
перекрываются", т е. дно зоны проводимости и вершина валентной зоны
расположены на одном уровне, то в этом случае против заполненных
состояний n-стороны лежат запрещенные состояния с р-сто-роны. В этой
точке туннельный ток должен прекратиться. При дальнейшем увеличении
приложенного напряжения появится обычный диффузионный ток (рис. 6,(5),
который будет экс-поненпи-ально возрастать с увеличением напряжения.
Следует ожидать, что с увеличением прямого напряжения туннельный ток
увеличивается от нуля до максимума /Р и затем уменьшится до нуля, когда
U=Un+iUp, где U - приложенное напряжение; Un-степень вырождения с я-
стороны [Un = (Ерп-Ec)q\, Up - степень вырождения с р-стороны [Uv = (Ev-
)/<?!, как показано на рис. 7. Область характеристики, расположенная
после Ликового тока, является областью отрицательного сопротивления.
Туннелирование может быть прямым и непрямым. Случай прямого
туннелирования изображен на рис. 8,а, на котором график зависимости
энергии Е от волнового числа k совмещен с картиной туннельного перехода в
Е-х координатах. Электрон может туннелировать из окрестности минимума
функции, описывающей зависимость энергии от волнового вектора для зоны
проводимости, в точку
Рис. 7. Упрощенная энергетическая диаграмма с постоянным электрическим
полем в обедненном слое. Степени вырождения с я- и р-стороны равны qUп и
qUv. U - напряжение смещения. Ег и Е2 - энергии электрона, отсчитанные от
краев зон в р- и я-областях.
с аналогичным значением квазиимпульса в окрестности максимума Лунйции
энергия-волновой вектор валентной зоны. Для того чтобы имело .место
прямое туннелирование, необходимо, чтобы минимум зоныVпроводимости и
максимум валентной зоны имели одинаковое значение импульса. Это условие
выполняется в таких полупроводниках,\ как GaAs и GaSb, которые имеют
"прямую" запрещенную зону. Это условие может быть также выполнено в
