Главная  Электронные лампы 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [ 41 ] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112]

перехода (схема замещения) для переменного тока имеет вид, показанный на рис. 7.10. На этой схеме - сопротивление толщи полупроводников П и р-типа и выводов от них (около 1 Ом); сопротивление перехода, зависящее от величины и полярности приложенного напряжения (см. рис. 7.8, б); С-сумма барьерной и диффузионной емкостей. Прн обратном напряжении диффузионная емкость отсутствует и С Сд, а Я Яобр, т. е. имеет очень большую величину. При работе на высоких частотах

емкостное сопротивление = ~1с~ Уьшзется и обратный ток может пройти через эту емкость, несмотря на большую величину сопротивления R ~ Ro6p. Это нарушает нормальную работу при-Рис. 7.10. Эквива- бора, так как р-п-переход теряет свойство одно-л-перехода сторонней проводимости. Поэтому для работы на

высоких частотах используются в основном точечные полупроводниковые приборы, у которых площадь р-п-перехода незначительна и собственная емкость мала.

В настоящее время имеются полупроводниковые приборы, успешно работающие в очень широком диапазоне частот - до сотен мегагерц и выше.

7.6. туннельный эффект

В 1958 г. японский ученый Лео Эсаки открыл явление туннельного зф41екта в полупроводниках.

Туннельный эффект заключается в том, что электроны проходят через потенциальный барьер р-п-перехода, не изменяя своей энергии. Для получения туннельного эффекта используется полупроводниковый материал (германий, арсенид галлия) с очень большой концентрацией примесей (до 10 примесных атомов в 1 см"), в то время как обычно концентрация примесей в полупроводниках не превышает 10 см~.

Полупроводники с таким высоким содержанием примесей называются вырожденными, а их свойства очень близки к свойствам металлов.

Вследствие высокого содержания примесей в обеих областях полупроводникового кристалла ширина р-п-перехода оказывается очень малой (не более 0,01 мкм), что приводит к значительному повышению иапряженности электрического поля иа переходе (порядка 10 В/м). В этих условиях имеется конечная вероятность того, что электрон, движущийся в сторону очень узкого барьера, пройдет сквозь него (как через «туннель») и займет свободное состояние с такой же энергией по другую сторону от барьерного слоя. Чтобы подчеркнуть специфичность прохождения электронов через р-/г-переход, описанное явление было названо туннельным эфсректом.

Известно, что увеличение концентрации донорных примесей смещает уровень Ферми вверх, а увеличение концентрации акцепторных примесей - вниз относительно середины запрещенной зоны. При концентрации примесей порядка 10 см"~ уровень Ферми полу-



проводника n-типа располагается внутри зоны проводимости, а уровень Ферми полупроводника р-типа - внутри валентной зоны. Из рис. 7.11, а видно, что при отсутствии BHenHiero напряжения уровни Ферми Wf-i " совпадают, так как величина энергии иа уровне Ферми должна быть одинаковой по всей структуре.

Внутри р-п-перекода границы энергетических зон полупроводников р- и я-типа искривляются. Вследствие того, что уровни Ферми в вырожденных полупроводниках расположены за пределами запрещенной зоны, при осуществлении контакта образуется зона перекрытия, расположенная между границей валентной зоны полупроводника р-типа и границей зоны проводимости полупроводника п-типа. В этой зоне разрешенные уровни электронного полупроводника расположены против разрешенных уровней дырочного полупроводника. Для простоты рассуждений будем считать, что все разреиюнные уровни, расположенные ниже уровня Ферми, заняты электронами, а расположенные выше него - свободны.

В очень узком р-п-переходе при высокой напряженности ноля возникают условия для беспрепятствениого туннельного прохождения электронов из одного слоя в другой сквозь потенциальный барьер. Однако для этого необходимо, чтобы против занятого электроном уровня по одну сторону барьера имелся свободный уровень за барьером. При отсутствии внешнего напряжения {U = О на рис. 7.11, о) такой возможности фактически нет, так как занятым уровням в зоне проводимости полупроводника п-тнпа противостоят занятые уровни в валентной зоне полупроводника р-типа .

Если к р - п-переходу приложить небольшое прямое напряжение, то высота потенциального барьера и перекрытие зон уменьшатся {рис. 7.11, б). Энергетическая диаграмма полупроводника п-типа поднимется вверх, а полупроводника р-типа опустится вниз. При этом


Рис. 7. II. Энергетические диаграммы р -л-перело-да прн туннельном эффекте.

1 В действительности столь резкой границы между областями с занятыми и свободными уровнями нет. Поэтому при комнатной температуре некоторая часть этих уровней освобождается за счет электронов, перешедших на уровни, расположенные выше уров1гя Ферми. Тем не менее при отсутствии внешнего напряжения ток, проходящий через р - гг-переход, практически отсутствует. Это объясняется тем, чти встречные потоки тех немногочисленных электронов, которые все же совершают туннельные переходы, взаим[[о компенсируются и результирующий туннельный ток оказывается равным нулю (/j. = - !. р = Oj.

5 7-1294 129




Рис. 7.12. Волы-ампериая характеристика р - п-перехода с туннельным эффектом.

уровни некоторых электронов проводимости п-области расположатся против свободных уровней валентной зоны р-области. Тем самым создаются благоприятные условия для туннельного перехода электронов 113 электронного полупроводника в дырочный. Поэтому через р - п-переход потечет туннельный ток, величина которого будет зависеть от величины приложенного прямого напряжения. Следует отметить, что при прямом напряжении через р - п-переход, кроме туннельного тока, проходит и диффузионный ток /диф, создаваемый перемещением электронов и дырок проводимости. Следовательно, полный ток р - п-

перехода при туннельном эффекте составляет

/ = /т.пр -/т.обр + /диф. {7.7)

Отметим также, что диффузионный ток в случае использования вырожденных полупроводников оказывается на несколько порядков меньше тока в обычном р - п-переходе. Это объясняется весьма малой концентрацией неосновных носителей из-за увеличения концентрации примесей. На рис. 7.12 показана вольт-амперная характеристика р- п-перехода с туинель-ным эффектом. Основная ее особенность состоит в том, что при подаче прямого напряжения, превышающего некоторое напряжение V, прямой туннельный ток начинает резко убывать.

Наличие падающего участка характеристики {АВ на рис. 7.12) можно объяснить следующим образом. Увеличение прямого напряжения, с одной стороиьг, приводит к увеличению туннельного тока, а с другой,- уменьшает напряженность электрического поля в р - п-переходе. Поэтому при некотором значении прямого напрялченця (рис. 7.11, е), когда напряженность электрического поля в р-п-переходе резко снижается, туннельный ток прекращается, ар- п-переход приобретает обычные свойства, связанные с прохождением через него диффузионного тока (на рис. 7.12 после кривая /, соответствующая полному току р-п-перехода, совпадает с кривой 2 диффузионного тока, показанной пунктиром).

При подаче на р - п-переход обратного напряжения (рис. 7.11, г) энергетическая диаграмма полупроводника п-типа опускается вниз, а полупроводника р-типа поднимается вверх. Ширина зоны перекрытия увеличивается, что приводит к росту обратного туннельного тока, поскольку возникают условия для свободного тунисльного перехода валентных электронов р-области в зону проводимости п-области. Величина обратного тока зависит от величины обратного напряжения, с увеличением которого энергетические зоны п- и р-областей смещаются сильнее.

Односторонняя проводимость р - п-перехода при туннельном эффекте полностью отсутствует (рис. 7.12).

В интервале напрялений от V-i до с ростом напряжения ток па-



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [ 41 ] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112]

0.001