Туннелирование в микроэлектронике
Рис. 3.1 Диаграмма туннельного диода при отсутствии внешнего напряжения.
Горизонтальными
линиями
в зоне
проводимости
и в валентной
зоне показаны
энергетические
уровни,
полностью
или частично
занятые
электронами.
В валентной
зоне
и
зоне проводимости
изображены
также незаштрихованные
горизонтальными
линиями
участки,
которые
соответствуют
уровням энергии,
не занятым
электронами.
Как видно,
в зоне
проводимости
полупроводника
n-типа и
в валентной
зоне полупроводника
р-типа имеются
занятые
электронами
уровни,
соответствующие
одинаковым
энергиям.
Поэтому
может происходить
туннельный
переход
электронов
из области
n в
область
р (прямой
туннельный
ток iпр)
и из
области
р
в область
n (обратный
туннельный
ток iобр).
Эти два
тока одинаковы
по значению,
и результирующий
ток равен
нулю.
На рис.
3.2 показана
диаграмма
при прямом
напряжении
0,1 В, за
счёт
которого
высота
потенциального
барьера
понизилась
на 0,1 эВ
и составляет
0,7 эВ. В
этом случае
туннельный
переход электронов
из области
n в
область
р
усиливается,
так как
в области
р имеются
в валентной
зоне свободные
уровни,
соответствующие
таким же
энергиям,
как энергии
уровней,
занятых электронами
в зоне
проводимости
области
n. А
переход
электронов
из валентной
зоны области
р в область
n невозможен,
так как
уровни,
занятые
электронами
в валентной
зоне области
р, соответствуют
в области
n энергетическим
уровням
запрещённой-
зоны. Обратный
туннельный
ток отсутствует,
и результирующий
туннельный
ток достигает
максимума.
В промежуточных
случаях,
например
когда Uпр=0,05
В,
существуют
и прямой
и обратный
туннельный
токи, но
обратный
ток меньше
прямого.
Результирующим
будет прямой
ток, но
он меньше
максимального,
получающегося
при Uпр=
0,1 В.
Uпр=0,1 B
n p
ЗП
0,7 эВ
iпр
ВЗ
0,6 эВ ЗЗ
Рис. 3.2 Энергетическая диаграмма туннельного диода при Uпр=0,1 В
Случай, показанный
на рис.
3.3 соответствует
Uпр=
0,2 В, когда
высота
потенциального
барьера стала
0,6 эВ. При
этом напряжении
туннельный
переход
невозможен,
так как
уровням,
занятым электронами
в данной
области,
соответствуют
в другой
области
энергетические
уровни, находящиеся
в запрещённой
зоне.
Туннельный
ток равен
нулю. Он
отсутствует
также и
при большем
прямом
напряжении.
Следует
помнить,
что при
возрастании
прямого
напряжения
увеличивается
прямой
диффузионный
ток диода.
При рассмотрен-
ных
значениях
Uпр=0,2
В диффузионный
ток
гораздо
меньше
туннельного
тока, а
при
Uпр>0,2
В диффузионный
ток возрастает
и
достигает
значений,
характерных
для прямо
го
тока обычного
диода.
Uпр=0,2 B
n p
ЗП
0,6 эВ
0,6 эВ ЗЗ ВЗ
Рис. 3.3 Энергетическая диаграмма туннельного диода при Uпр=0,2 В
На рис.
3.4 рассмотрен
случай,
когда обратное
напряжение
Uобр=0,2
В.
Высота
потенциального
барьера
стала 1
эВ, и
значительно
увеличилось
число
уровней,
занятых электронами
в валентной
зоне р-области
и соответствуют
их
свободным
уровням в
зоне проводимости
n-области.
Поэтому
резко возрастает
обратный
туннельный
ток, который
получается
такого же
порядка,
как и
ток
при
прямом
напряжении.
Вольт-амперная
характеристика
туннельного
диода (рис.
3.5) поясняет
рас-
смотренные
диаграммы.
Как видно,
при U=0
ток равен
нулю. Увеличение
прямого
напряжения
до 0,1 В
дает возрастание
прямого
туннельного
тока до
максимума
(точка А).
Дальнейшее
увеличение
прямого
напряжения
до 0,2 В
сопровождается
уменьшением
туннельного
тока. Поэтому
в точке
Б получается
минимум
тока и
характеристика
имеет падающий
участок
АБ, для
которого
характерно
отрицательное
сопротивление
переменному
току:
(3.1)
Uобр=0,2 B
n p
ЗП
1 эВ