Теоретичні відомості. При великих (1019 1021 см-3) концентраціях носіїв заряду, що досягається при великих концентраціях домішок

При великих (10¹⁹…10²¹ см^-3) концентраціях носіїв заряду, що досягається при великих концентраціях домішок, електрони в напівпровідниках n-типу і дірки в напівпровідниках р-типу утворюють вироджений електронний і дірковийгаз. Рівень Фермі Е_F в першому випадку знаходиться в зоні провідності, а в другому випадку – у валентній зоні.

Тунельний діод створений на основі електронно-діркового переходу, в якому напівпровідники n- і р- типу є виродженими. Значна концентрація носіїв приводить до зростання (приблизно в 2 рази) контактної різниці потенціалів u_k, а також до суттєвого (в десятки разів) зменшення товщини р-n-переходу порівняно з р- n- переходом у звичайному діоді. В тунельному діоді відбуваються дифузійні і дрейфові рухи носіїв, але основну роль відіграє тунельний ефект, тобто перехід носіїв через бар'єр без зміни їх енергії, яка дещо менша висоти потенціального бар'єра. Оскільки для електронів має місце принцип Паулі, то тунелювання можливе за умови, коли енергетичні рівні з протилежного боку бар'єра є вільними, тобто не зайняті електронами.

При прямому ввімкненні тунельного діода в коло з напругою, висота потенціального бар'єра знизиться на величину eU. При цьому напроти заповнених електронних станів зони провідності n-типу будуть розміщені вільні енергетичні рівні валентної зони р-типу. Завдяки малій товщині р-n-пере-ходу, що забезпечує значну прозорість бар'єра, відбувається тунелювання електронів із n-напівпровідника в р-напівпровідник (рис. 8.5.1).

Рис. 8.5.1

Через р-n-перехід проходить прямий струм, який називається тунельним. Оскільки густина енергетичних рівнів досить велика (відстань між підрівнями ), то навіть малі прямі напруги приводять до швидкого зростання тунельного струму. З ростом прямої напруги збільшується кількість вільних рівнів, чим і пояснюється зростання тунельного струму (ділянка ОА характеристики на рис. 8.5.5). При значеннях U=U_max рівень Фермі в n-області збігається зі стелею валентної зони р-напівпровідника (рис. 8.5.2).

Рис. 8.5.2

 

У цьому випадку максимальній кількості зайнятих рівнів відповідає максимальна кількість вільних станів. Тунельний струм досягає максимуму (точка А характеристики). Подальше збільшення напруги U приводить до зменшення тунельного струму і появи ділянки спаду АВ вольт-амперної характеристики з від'ємним диференціальним опором. Якщо пряма напруга дорівнює U_min (точка В, рис. 8.5.5), при якій дно зони провідності збігається зі стелею валентної зони, тунелювання закінчується, оскільки заповненим рівням зони провідності n-напівпровідника відповідають рівні забороненої зони р-напівпровідника (рис. 8.5.3).

Рис. 8.5.3

 

Ділянка ВС вольт-амперної характеристики описує прямий струм, природа якого є дифузійною як для звичайного р-n-переходу. Якщо ввімкнути тунельний діод в зворотному напрямку (рис. 8.5.4), зайнятим рівням валентної зони р-напівпровідника відповідають вільні рівні зони провідності n-напівпровідника, що приводить до тунелювання неосновних носіїв (електронів з р-напівпровідника в n-напівпровідник). Це приводить до швидкого зростання зворотного тунельного струму із збільшенням зворотної напруги (ділянка ОД, рис. 8.5.5). Таким чином, вольт-амперна характеристика тунельного діода суттєво відрізняється від аналогічної характеристики звичайного діода. Вольт-амперна характеристика тунельного діода зображена на рис. 8.5.5.

Рис. 8.5.4

 

Наявність ділянки АВ вольт-амперної характеристики з від'ємним диференціальним опором забезпечує використання тунельних діодів для генерації і підсилення електромагнітних хвиль При не дуже сильному виродженні () прямий тунельний струм може бути відсутнім, але зворотний струм при цьому значний, що дозволяє використання тунельних діодів для детектування високочастотних електромагнітних коливань.

Рис. 8.5.5

 

Характерне значення струмів в тунельному діоді складає одиниці міліампер, а напруга – біля одного вольта. При цьому від'ємний диференціальний опір досягає десятків Ом, а ємність - від одиниці до десяти мікрофарад. У даній лабораторній роботі досліджується вольт-амперна характеристика тунельного діода ГІ103.

Електрична схема вимірювальної установки подана на рис. 8.5.6.

Рис. 8.5.6