Равновесное состояние туннельного p-n-переходаДля изготовления туннельных p-n-переходов используется контакт двух вырожденных примесных полупроводников с разным типом проводимости. Распределение электронов и дырок в зоне проводимости и в валентной зоне полупроводника определяется положением уровня Ферми EF. Уровень Ферми имеет смысл уровня энергии, вероятность заполнения которого электронами или дырками равна 1/2. В первом приближении можно считать, что разрешенные уровни энергии, расположенные выше EF электронов не содержат, а расположенные ниже полностью заполнены электронами. В чистом полупроводнике уровень Ферми EF находится по середине запрещенной зоны. При введении примеси EF смещается или в сторону валентной зоны, если примесь акцепторная (полупроводник р-типа), или в сторону зоны проводимости, если примесь донорная (полупроводник n-типа). При концентрации примеси 1018 – 1020 см-3 полупроводник становится вырожденным. В вырожденном полупроводнике р-типа уровень Ферми EFр расположен в валентной зоне. Поэтому уровни, расположенные между потолком валентной зоны EV и EFр электронов не содержат, а уровни ниже EFр полностью ими заполнены. В зоне проводимости их нет (рис. 3а). В вырожденном полупроводнике n-типа уровень Ферми EFn расположен в зоне проводимости. Поэтому уровни, расположенные ниже EFn полностью заполнены электронами (рис. 3б). При соединении двух вырожденных полупроводников р- и n-типов образуется р-n-переход. При этом полупроводник р-типа (р-область заряжается отрицательно, полупроводник n-типа (n-область) заряжается положительно. Возникает контактная разность потенциалов р-n-перехода с высокой напряженностью поля Ек, что приводит к сильному смещению энергетических уровней р- и n-областей полупроводника относительно друг- друга. В отсутствии внешнего напряжения на -n-переходе он находится в состоянии равновесия, которое характеризуется одинаковым значением энергии Ферми в р- и n-областях. Электроны валентной зоны р-области и электроны зоны проводимости n-области занимают уровни ниже EF, имеют одинаковые значения энергии и разделены потенциальным барьером. Высота потенциального барьера (U – Е) равна ширине запрещенной зоны полупроводника Еg, а ширина d определяется напряженностью поля Ек; d ≈ Еg/qЕк (рис. 4). Величина определяется степенью легирования полупроводника и при концентрации примеси ≈ 1020 см-3, Ек ≈ 105 – 106 В/см. Поэтому при ≈ 1 эВ = 1,6*10-19 Дж, d ≈ 100 Å. При таких параметрах потенциального барьера возможно туннелирование электронов без потери энергии из валентной зоны р-области в зану проводимости n-области и из зоны проводимости n-области в валентную зону р-области. В состоянии равновесия эти потоки электронов равны и суммарный ток через равен нулю.
|