ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННО — ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДОВ

С ТУННЕЛЬНЫМ ЭФФЕКТОМ

Екатеринбург

2006

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет – УПИ»

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТPОННО – ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДОВ С ТУННЕЛЬНЫМ ЭФФЕКТОМ

Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Физические основы электроники» для студентов всех форм обучения направлений 210300 – Радиотехника, 210300 – Радиотехника по специальностям 210302 – Радиотехника, 210304 – Радиоэлектронные системы; направления 210400 – Телекоммуникации по специальностям 210406 – Сети связи и системы коммутации, 210402 – Средства связи с подвижными объектами

Екатеринбург

2006

УДК 621.381

Составители: Н.С. Устыленко, В.И. Елфимов

Научный редактор – проф., канд. техн. наук А.А. Калмыков

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТPОННО-ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДОВ С ТУННЕЛЬНЫМ ЭФФЕКТОМ: методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Физические основы электроники» / Н.С. Устыленко, В.И. Елфимов. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. 28 с.

Методические указания содержат описания физических процессов, возникающих в p-n-переходе с туннельным эффектом, вольтамперных характеристик идеального и реального электронно-дырочного переходов, работающих на основе туннельного эффекта, параметровp-nперехода при наличии туннельных переходов. Рассматривается влияние температуры на характеристики и параметрыp-nперехода с туннельным эффектом.

Приводятся описание схем экспериментальных исследований, лабораторное задание, методика обработки результатов эксперимента, вопросы для самопроверки, библиографический список и приложения.

Библиогр.: 10назв. Табл. 2. Рис. 12. Прил. 3.

Подготовлено кафедрой «Радиоэлектроника информационных систем».

© ГОУ ВПО «Уральский государственный

технический университет – УПИ», 2006

1. Цель лабораторной работы

Ознакомиться с физическими основами работы электронно-дырочных переходов, работающих при наличии туннельного эффекта, приобрести навыки экспериментального исследования электронно-дырочных переходов с туннельным эффектом, исследовать влияние материала полупроводника и температуры окружающей среды на характеристики и параметры электронно-дырочных переходов при наличии туннельных переходов носителей заряда.

Лабораторная работа включает в себя:

• Самостоятельную подготовку теоретического материала;

• Входной тестовый контроль;

• Теоретический коллоквиум;

• Экспериментальные исследования;

• Обработку экспериментальных данных;

• Анализ полученных результатов;

• Оформление отчета.

Методические указания содержат только основной теоретический материал по исследуемому разделу дисциплины «Физические основы электроники», поэтому при подготовке к лабораторному практикуму необходимо проработать соответствующие разделы в основных учебниках курса (см. библиографический список). Проверить полноту подготовки можно по вопросам для самопроверки.

2. Физические процессы в электронно-дырочных переходах с туннельным эффектом

2.1. Понятие и особенности электронно-дырочных переходов с туннельным эффектом

Туннельный эффект или туннелирование – это преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда ее полная энергия меньше высоты барьера [1].

Туннельный эффект – явление исключительно квантовой природы, невозможное в классической механике. При характеристике туннельного эффекта вводится понятие вероятности прохождения частицей сквозь потенциальный барьер. Эта вероятность тем больше, чем меньше масса частицы, чем уже потенциальный барьер и чем ближе энергия частиц к значению энергии потенциального барьера, причем туннельные переходы происходят без изменения энергии частиц.

Для электронно-дырочных переходов туннельный эффект наблюдается только при очень малой ширине p-n перехода l₀  10^-6 см, т.е. в переходах между высоколегированными р⁺- и n⁺ - областями (N_Д, N_A > 10¹⁸ см^-3) [2-8, 10].

Туннельный эффект проявляется путем просачивания электронов сквозь узкий энергетический (потенциальный) барьер p-n перехода без изменения энергии. Причем, ширина энергетического барьера меньше толщины обедненного слоя полупроводника l₀.

Вероятность туннельных переходов в электронно-дырочном переходе зависит от напряженности электрического поля Е и выражается количеством переходов электронов в единицу времени, электронов/сек:

, (1)

где N_ЭЛ – количество электронов, t – время.

При напряженности электрического поля Е = 10⁵ В/см значение р = 1 эл/с (один электрон в секунду), а при Е = 10⁶ В/см – р = 10¹² эл/с.

При внесении большой концентрации примесей N_А, N_Д = (10¹⁸–10²⁰) см ^–3 в области полупроводников р– и n– типов происходит расщепление примесных энергетических уровней с образованием примесных энергетических зон, которые проникают в разрешенные зоны: зону проводимости полупроводника n – типа; валентную зону полупроводника р –типа. Энергетический уровень Ферми в этом случае располагается в разрешенных зонах «вырожденных» полупроводников.

Энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода на основе сильнолегированных примесных полупроводников в равновесном состоянии приведена на рис.1.

На энергетической диаграмме обозначены: W_B – энергетический уровень потолка валентной зоны; W_П – энергетический уровень дна зоны проводимости; W_F – энергетический уровень Ферми; заштрихованы все энергетические уровни занятые электронами; -обозначены свободные энергетические уровни зоны проводимости.

Рис.1. Энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода с туннельным эффектом в равновесном состоянии

Для энергетической диаграммы электронно-дырочного перехода (см. рис.1) имеем

(2)

, (3)

. (4)

Например, для p-n-перехода на основе германия: φ_к = 0,65 В, l₀ = 10^-6 см, Е₀=В/см. При этом в электронно-дырочном переходе вероятности туннельных переходов электронов из р – области вn – область и обратно одинаковы. Поэтому встречные потоки электронов равны, а суммарный туннельный ток через p-n-переход равен нулю:

, (5)

где I_Tp – туннельный ток, образованный туннельными переходами электронов из полупроводника р – типа в полупроводник n – типа; I_Tn – туннельный ток, создаваемый туннельными переходами электронов из полупроводника n – типа в полупроводник р – типа.

В условиях равновесного состояния электронно-дырочного перехода изоэнергетические уровни (уровни с одинаковыми значениями энергии) по обе стороны перехода либо заняты, либо свободны с одинаковой вероятностью и туннельный ток в p-n переходе равен нулю (I_T = 0).

В электронно-дырочном переходе, образованном сильнолегированными («вырожденными») примесными полупроводниками, имеют место диффузионные и дрейфовые составляющие токов, как и в обычном p-n переходе:

; (6)

, (7)

где I_Dn – электронная составляющая диффузионного тока; I_Dp – дырочная составляющая диффузионного тока; I_Еn – электронная составляющая дрейфового тока; I_Еp – дырочная составляющая дрейфового тока.

При этом концентрация основных носителей заряда в области p-n перехода очень высока:

, , (8)

Диффузионная составляющая тока образуется движением основных носителей заряда в p-n переходе, и она будет небольшой в силу значительной величины потенциального барьера, определяемой контактной разностью потенциалов:

, (9)

где φ_К – контактная разность потенциалов; – температурный потенциал;N_А – концентрация акцепторов в полупроводнике р – типа; N_Д – концентрация доноров в полупроводнике n – типа; n_i – концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике. Для сильнолегированных примесных полупроводников имеет место большое значение N_А, N_Д, поэтому в p-n переходе на основе данных примесных полупроводников получают высокое значение контактной разности потенциалов φ_К.

Значение дрейфовой составляющей тока p-n перехода в данном случае невелико, так как мала концентрация неосновных носителей заряда в обеих областях p-n-перехода. Условие равновесия электронно-дырочного перехода в общем виде запишется:

I_D+I_E+I_T = 0, (10)

или

I_Dn+I_Dp+I_En+I_Ep+I_Tn+I_Tp = 0. (11)