Контрольная работа по "Электронике"

Электроника

1. Вопрос 15. Пояснить тоннельный эффект полупроводника

На рис. 1 изображена схема энергетических зон полупроводникового образца собственной проводимости при отсутствии внешнего электрического поля. «Свободные» электроны в зоне проводимости не могут выйти за пределы образца, поэтому можно считать, что они находятся в потенциальной яме шириной  , где – размер образца. Как показано на рис. 5а, энергия электронов в зоне проводимости квантуется, что и следовало ожидать для частиц в потенциальной яме.

[pic 1]

Рис.1

После включения внешнего электрического поля (рис. 1) картина энергетических зон меняется, происходит наклон энергетических зон. Действительно, электроны вблизи отрицательного электрода имеют энергию на величину [pic 2] меньшую, чем вблизи положительного. Следовательно, [pic 3] – это величина наклона энергетических зон. Сильному электрическому полю в полупроводнике соответствует большой наклон энергетических зон. При этом электроны могут проходить сквозь узкий потенциальный барьер толщиной [pic 4] (рис. 1б) без изменения своей энергии и туннелировать благодаря своим квантово-механическим свойствам. Так как процесс туннелирования происходит вследствие перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости, то этот процесс можно считать аналогичным автоэлектронной эмиссии или холодной эмиссии электронов из металла. При туннелировании растет концентрация свободных носителей заряда. Туннельный эффект в полупроводниках проявляется при очень больших напряженностях электрического поля: в кремнии при [pic 5] , в германии при [pic 6] . Напряженности электрического поля, при которых появляется эффект туннелирования, различны для разных материалов, так как толщина потенциального барьера [pic 7] зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника при неизменной напряженности электрического поля. С другой стороны, сильное электрическое поле в полупроводнике можно создать в области [pic 8] перехода. Даже в отсутствие внешнего напряжения между [pic 9] и [pic 10] областями существует контактная разность потенциалов [pic 11] создающая в области [pic 12] ., перехода пространственный заряд и электрическое поле. Для получения резких и тонких [pic 13] переходов с сильным диффузионным полем используют вырожденные полупроводники, т.е. полупроводники с большой концентрацией примесей ( [pic 14] ).На рис.2а изображена энергетическая диаграмма вырожденного полупроводника [pic 15] типа, на рис. 2б – [pic 16] -типа.

[pic 17]

Рис. 2

В вырожденных полупроводниках концентрация электронов и дырок увеличивается из-за высокой концентрации примесей, поэтому распределение свободных носителей заряда по энергетическим уровням подчиняется статистике Ферми-Дирака подобно распределению электронов в металле.

Уровень Ферми в равновесии расположен выше дна зоны проводимости в полупроводнике [pic 18] - типа и ниже потолка валентной зоны в полупроводнике [pic 19] - типа. Величины [pic 20] и [pic 21] , равны

[pic 22] 

и определяют степень выражения соответственно [pic 23] - и [pic 24] - областей полупроводника.

[pic 25]

Рис. 3

На рис. 3 изображена энергетическая диаграмма [pic 26] перехода в вырожденном полупроводнике.

Туннельный диод – это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольтамперной характеристике при прямом направлении участка отрицательной дифференциальной проводимости.

В отличие от всех остальных полупроводниковых диодов для изготовления туннельных диодов используют полупроводниковые материалы с очень высокой концентрацией примесей ( [pic 27] ). Следствием высокой концентрации примесей в прилегающих к [pic 28] переходу областях является, во-первых, малая толщина перехода (около 10-2 мкм), т.е. на два порядка меньше, чем в других полупроводниковых диодах. Сквозь такие тонкие потенциальные барьеры возможно туннелирование носителей заряда. Другим следствием большой концентрации примесей является расщепление примесных энергетических уровней с образованием примесных энергетических зон, которые примыкают к зоне проводимости в [pic 29] - области и к валентной зоне в [pic 30] - области. Уровни Ферми при этом оказываются расположенными в разрешенных зонах.