Материал: СТ6

1.2. Контакт вырожденных электронных и дырочных полупроводников.Туннельный диод

В очень сильных электрических полях становится возможным механизм образования свободных носителей заряда, называемый туннельным эффектом или эффектом Зинера. Как известно, у полупроводника, находящегося во внешнем электрическом поле с напряженностью , имеет наклон энергетических зон (рис.1.7). Наклон зон тем больше, чем больше напряженность электрического поля . На рис.1.7 представлена зонная структура собственного полупроводника при наличии сильного электрического поля. В этом случае возможен переход электрона из валентной зоны в зону проводимости благодаря туннельному эффекту. Вероятность туннельного перехода зависит от высоты и ширины потенциального барьера. В данном случае высота потенциального барьера АБ представляет собой шину запрещенной зоны .

Эффективная ширина барьера АВ=∆х может быть определена из разности потенциальной энергии электрона в зоне проводимости в точке В и в валентной зоне - в точке А. Так как потенциальная энергия с точностью до аддитивной постоянной есть , то эффективная ширина барьера

.

Следовательно, ширина потенциального барьера зависит от напряженности электрического поля. Переход электрона из точки А в точку В связан с переходом сквозь треугольный потенциальный барьер АБВ. Из квантовой механики известно, что вероятность перехода для барьера треугольной формы имеет вид:

. (1.3)

Из выражения (1.3) следует, что вероятность туннельного перехода из зоны в зону растет экспоненциально с ростом напряженности электрического поля . Кроме того, вероятность туннельного перехода будет больше у полупроводников с малыми значениями ширины запретной зоны и эффективной массы .

Вероятность туннельного перехода одна и та же для переходов как из валентной зоны в зону проводимости, так и из зоны проводимости в валентную зону. Но поскольку в валентной зоне электронов намного меньше, чем в зоне проводимости, то будет иметь место преимущественный переход электронов из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому туннельный эффект может приводить к значительному увеличению концентрации свободных носителей зарядов.

В p-n переходе, образованном двумя областями невырожденного электронного и дырочного полупроводников, ток обуславливается прохождением электронов над потенциальным барьером. В случае вырожденного полупроводника с концентрацией примесей в обеих областях порядка 10¹⁸-10²⁰ см^-3 переходный слой будет очень тонкий и возможно прохождение электронов через p-n переход в результате туннельного эффекта, поэтому вольтамперная характеристика будет принципиально отличаться от характеристики диода (рис.1.8).

Благодаря возникновению туннельного эффекта наблюдается резкий рост тока при обратной полярности напряжения (к p-области присоединен отрицательный вывод источника), а на участке прямого смещения появляется область отрицательного дифференциального сопротивления (рис.1.9). Значительный туннельный ток возникает в p-n переходах толщиной около 10нм, когда при контактной разности 1В напряженность поля в переходе приближается к 10В/см. Такая толщина перехода для большинства полупроводников наблюдается при концентрации примеси, лежащей в указанном выше диапазоне.

Рассмотрим ход вольт-амперной характеристики туннельного диода на различных участках. На рисунке 1.9 приведена упрощенная энергетическая диаграмма контакта вырожденных полупроводников при отсутствии внешнего смещения. Штриховкой показаны состояния, занятые электронами.

Значения и характеризуют степень вырождения соответствующих областей полупроводника и определяют суммарное перекрытие разрешенных энергетических зон. Благодаря наличию такого перекрытия электроны могут переходить из одной области в другую за счет туннелирования сквозь потенциальный барьер, форма которой близка к треугольной. Вероятность туннелирования определяется формулой (1.3) и слабо зависит от формы потенциального барьера, ее можно также считать независящей от направления движения электрона. При отсутствии внешнего смещения суммарный ток через p-n переход равен нулю, что соответствует точке 1 на рис1.8.

Теперь допустим, что к p-n переходу приложено обратное смещение. В этом случае (рис.1.10) все энергии в n-области снижаются относительно p-области, и поток электронов из p-области в n-область резко возрастает, так как увеличивается количество заполненных уровней в полупроводнике p-типа, против которой при той же энергии лежат свободные уровни в зоне проводимости материала n-типа. Поток электронов в обратном направлении при этом уменьшается. Суммарный ток электронов обозначен стрелкой на рис.1.10, этому режиму соответствует точка 2 на рис.1.8. Увеличение обратного напряжения сопровождается ростом туннельного тока.

При небольших положительных напряжениях (рис.1.11) возрастает количество электронов, туннелирующих из n-области в p-область (эти переходы указаны стрелкой) при одновременном снижении встречного потока (точка 3 на рис.1.8).

При дальнейшем повышении прямого напряжения перекрытие разрешенных зон проходит через максимум и начинает уменьшаться, это приводит к снижению туннельного тока (точка 4 на рис.1.8). Увеличение входного напряжения до величины , когда совпадает с , приводит к уменьшению туннельного тока до нуля.

Однако по мере повышения прямого смещения на p-n переходе высота потенциального барьера понижается, и будет возрастать диффузионный ток основных носителей заряда, способных преодолеть снижающийся потенциальный барьер. Ток будет увеличиваться по тому же закону, что и в обычном диоде (точка 5 на рис.1.8). Соответствующая зонная диаграмма представлена на рис. 1.12.

Из рисунка 1.13 следует, что наибольшее различие в вольт-амперной характеристике, рассчитанной теоретически и измеренной экспериментально, проявляются в области минимума тока, где его реальная величина существенно превосходит сумму расчетных значений для туннельной и диффузионной составляющих. В этой области существенное влияние оказывает изменение плотности состояний вблизи краев запрещенной зоны вырожденного полупроводника. Этот эффект проявляется в возникновении хвостов плотности

состояний, заходящих в запрещенную зону. Учет данного явления показывает, что туннельный ток не спадет до нуля при

,

так как при этом еще наблюдается перекрытие разрешенных состояний в n- и p- областях. Вторым существенным фактором, объясняющим увеличение реального тока в области минимума ВАХ туннельного диода, является наличие в запрещенной зоне полупроводника глубоких примесных уровней, которые обеспечивают избыточный туннельный ток при прямом смещении. Протекающий туннельный ток зависит от суммарной концентрации примесных состояний и их расположения в запрещенной зоне полупроводника.

Благодаря наличию участка отрицательного дифференциального сопротивления туннельный диод может быть использован для усиления и генерации колебаний. Принципиальным недостатком этих приборов, ограничивающим их практическое применение, является малая выходная мощность, что связано с незначительным изменением тока и напряжения на участке отрицательного дифференциального сопротивления. Наличие избыточного тока отрицательно сказывается на параметрах диода, так как приводит к снижению перепада тока на рабочем участке ВАХ.

2. Описание установки и методики эксперимента

Экспериментальная установка схематично изображена на рис.2.1. p-n переход с сопротивлением R подключают к источнику напряжения e и помещают в термостат.

Рис.2.1. Блок-схема экспериментальной установки

В установке предусмотрена возможность плавного измерения температуры термостата и ее измерения цифровым термометром.

Ток через р-п переход зависит от приложенного внешнего напряжения следующим образом:

, (2.1)

где - ток насыщения при обратном включении р-п перехода, , В – константа, зависящая от температуры, А – константа, не зависящая от температуры.

Эксперимент следует проводить при малых значениях напряжения . В этом случае exp(eU/kT)<<1, и выражение (2.1) можно записать :

. (2.2)

Прологорифмировав (2.2), имеем

. (2.3)

По результатам эксперимента можно построить график зависимости (2.3). Эта зависимость представлена на рис. 2.2.

Рис.2.2. Зависимость логарифма тока от величины обратной

Температуре p-n перехода

Поскольку константа С слабо зависит от температуры при измерениях в небольшом диапазоне температур, то выражению (2.3) соответствует линейная зависимость (рис.2.2). Измеряя тангенс угла наклона этого графика, можно определить eDj = E_Fp – E_Fn .

Лабораторная установка, выполненная в виде настольного прибора рис.2.3, на лицевой панели которого находятся тумблер 1 «сеть», фотодиод 2 включения сети, тумблер 3 включения термометра, тумблер включения нагревателя 4, переключатель 5 диодов Д1-Д2», тумблер 6 переключения «U|I» , табло мультиметра7, табло термометра 8.

3. Порядок выполнения работы

1. Включить вилку прибора в сеть.

2. Включить тумблер 1 «сеть». При этом на панели прибора должен загореться красный фотодиод 2.

3. Включить термометр тумблером 4.

4. Поставить переключатель 5 «Д1-Д2» в положение Д1, соответствующее первому диоду.

5. Меняя напряжение на диоде и измеряя его мультиметром 6, на котором установлен предел 2000т по шкале DCV, установить напряжение на диоде 0.

6. Переключить мультиметр в положении 2000 по шкале DCA, а тумблер 6 – в положение I, измерить ток через диод. Он должен быть 0.

7. Изменяя напряжение через 0,1 мВ, фиксировать значения тока, как описано в п.п.5-6.

Полученную вольтамперную характеристику занести в таблицу 1. Измерения производить во всем диапазоне изменения напряжения.

Таблица 1

ДИОД 1

ДИОД 2

8. Поставить переключатель 5 «Д1-Д2» в положение Д2, соответствующее второму диоду. Повторить п.п.5-7.

9. Включить тумблер «нагрев». Повторить п.п. 4-8 для температуры диодов, выбранной в интервале 50-70С.

10. Построить вольтамперные характеристики диодов при двух температурах.

11. При постоянном напряжении (например, 3В), подаваемом на диод, снять зависимость тока от температуры. Измерять напряжение и ток для диодов Д1 и Д2, как описано в п.п.4,5,6. Фиксировать значения тока при изменении температуры на каждые 5К. Результаты измерений свести в таблицу 2.

Таблица 2

ДИОД 1

ДИОД 2