Туннелирование в микроэлектронике (стр. 6 из 7)

Процессы в туннельном диоде удобно рассматривать на энергетических
диаграммах, показывающих уровни энергии валентной зоны и зоны проводимости-
в n- и р-областях. Вследствие возникновения контактной разности потенциалов в n-р-переходе границы всех зон в одной из областей сдвинуты относительно соответствующих зон другой области на высоту потенциального барьера,
выраженную в электрон-вольтах.

На рис.3.1-3.4 с помощью энергетических диаграмм изображено возникновение туннельных токов в электронно-дырочном переходе туннельного диода. Для
того чтобы не усложнять рассмотрение туннельного эффекта, диффузионный ток
и ток проводимости на этом рисунке не показаны. Диаграмма рис. 3.1 соответствует отсутствию внешнего напряжения. Высота потенциального барьера взята
для примера 0,8 эВ, а ширина запрещенной зоны составляет 0,6 эВ.

U=0 B

n p

ЗП

0,8 эВ

i_пр

i_обр

0,6 эВ ЗЗ

ВЗ

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 i_пр) и из области р
в область n (обратный туннельный ток i_обр). 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 U_пр=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 U_пр= 0,1 В.

U_пр=0,1 B

n p

ЗП

0,7 эВ

i_пр

ВЗ

0,6 эВ ЗЗ

Рис. 3.2 Энергетическая диаграмма туннельного диода при U_пр=0,1 В

Случай, показанный на рис. 3.3 соответствует U_пр= 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 U_пр=0,2 В диффузионный ток
гораздо меньше туннельного тока, а при
U_пр>0,2 В диффузионный ток возрастает и
достигает значений, характерных для прямо
го тока обычного диода.

U_пр=0,2 B

n p

ЗП

0,6 эВ

0,6 эВ ЗЗ ВЗ