електричне поле й потенціальний бар'єр. Створене поле буде гальмуючим для електронів напівпровідника і буде відкидати їх від межі поділу. Межа поділу металу і напівпровідника із шаром позитивних зарядів йонів донорної домішки називається переходом Шотткі (відкритий в 1934 році).
6.2.Пряме й зворотне включення діодів Шотткі.
·Якщо прикласти зовнішню напругу плюсом до металу, а мінусом до напівпровідника, виникає зовнішнє електричне поле, спрямоване зустрічно полю переходу Шотткі. Це зовнішнє поле компенсує поле переходу Шотткі і буде прискорювальним для електронів напівпровідника. Електрони будуть переходити
знапівпровідника в метал, формуючи порівняно великий прямий струм. Таке включення називається прямим.(рис.6)
·При подачі зовнішньої напруги мінусом до металу, а плюсом до напівпровідника виникає зовнішнє електричне поле, яке співпадає з полем переходу Шотткі. Обидва ці поля будуть гальмуючими для електронів напівпровідника, і будуть відкидати їх від межі поділу. Обидва ці поля будуть прискорюючими для електронів металу, але вони через межі поділу не пройдуть, тому що в металі більша робота виходу електрона. Таке включення переходу Шотткі називається зворотним.
Зворотний струм через перехід Шотткі буде повністю відсутній, тому що в металі не існує неосновних носіїв зарядів. Переваги переходу Шотткі:
-відсутність зворотного струму;
-перехід Шотткі може працювати на НВЧ;
-висока швидкодія при перемиканні із прямого стану у зворотний і
навпаки.
Недолік - вартість. В якості металу в більшості використовують золото.
7. Тунельний ефект
Тунельний ефект в напівпровідниках відкритий в 1958 р. японським вченим Лео Есакі. Цей ефект проявляється на p-n переході вироджених напівпровідниках.
Тунельний ефект заключається в тому, що електрони проходять через потенціальний бар’єр p-n переходу, не змінюючи своєї енергії. Для отримання тунель-
ного ефекту використовують напівпровідниковий матеріал (германій, арсенід галію) з дуже високим коефіцієнтом домішок(до 1021домішкових атомів на 1 см3). Напівпровідники з такою високою концентрацією домішок називають виродженими, а їх властивості стають дуже схожими на властивості металів. В наслідок високої концентрації домішок в обох областях напівпровідникового кристала ширина p-n переходу дуже мала (близько 0,01 мкм), що призводить5 ∙ 10 ÷до7 значного∙ 10 В⁄смпідвищення напруженості електричного поля на переході ( ). У цих умовах електрони можуть переходити від атома до атома, навіть не набуваючи енергії, потрібної для відривання від ядра. Таким чином електрони можуть переходити з валентної зони в зону провідності, не витрачаючи енергії на подолання забороненої зони. Електрони в цьому разі не долають потенціальний
Н.М. Щупляк. Основи електроніки і мікроелектроніки. |
|
http://dmtc.org.ua/ |
55 |
бар’єр, а проходять через нього, немов через тунель. Тому описане явище дістало назву тунельного ефекту.
Отже, властивість односторонньої провідності на p-n переході при тунельному ефекті відсутня, а струм черезІ =p-Іnт.прперехід. − Іт.звбуде. + Ідифмати. , три складові:
(11)
де Іт.пр. – прямий тунельний струм спрямування, за рахунок проходження зарядів через тунелі при прямому включенні;
Іт.зв. – зворотний тунельний струм, той же самий, що й прямий, але при зворотному включенні ;
Ідиф. – дифузійний струм, що створюється переміщенням електронів і дірок провідності.
Вольт-амперна характеристика p-n переходу при тунельному ефекті буде мати вигляд, зображений на рис.7.
Рис.1. Вольт-амперна характеристика p-n переходу з тунельним ефектом (1) і звичайного p-n переходу (2)
При відсутності зовнішньої напруги струм, що проходить через p-n перехід практично рівний нулеві. З підвищенням прямої напруги, прикладеної до p-n переходу, потік електронів з області n в область p зростатиме, а з p у n – зменшиться. В наслідок цього прямий струм збільшується і при деякій напрузі U1 досягне максимального значення Імах. (точка А на рис.7). Якщо ж змінити полярність джерела, то потік електронів з p-області в n-область зростатиме, а з n-області в p- область – зменшиться. Тому результуючий струм змінить свій напрям і в міру підвищення зворотної напруги лінійно зростатиме (ділянка 0Б на рис.1).
Основна властивість вольт-амперної характеристики p-n переходу з тунельним ефектом полягає в тому, що при подачі прямої напруги, яка перевищує U1 прямий струм починає досить різко зменшуватися до деякого мінімального Imin. Наявність спадаючої характеристики (АВ на рис.7) можна пояснити так. Підвищення прямої напруги, з одного боку, призводить до підвищення тунельного струму, а з другого
– до зменшення напруженості електричного поля в p-n переході. Тому при деяко-
Н.М. Щупляк. Основи електроніки і мікроелектроніки. |
|
http://dmtc.org.ua/ |
56 |
му значенні прямої напруги U2 тунельний ефект зникає, а p-n перехід набуває звичайні властивості, пов’язані з проходженням через нього дифузійного струму (на рис. 7 крива 1 в інтервалі після U2 співпадає з кривою 2).
В інтервалі напруг від U1до U2 зростання напруги призводить до зменшення струму. Отже, на цій ділянці p-n перехід чинить+∆ змінному струму деякий негатив-
ний опір − д = −∆
Зменшення струму, зумовлене зростанням напруги, еквівалентне зсуву фази між вказаними величинами на 180о. Тому потужність змінного сигналу, що дорівнює добутку струму на напругу, матиме негативний знак. Це означає, що негативний опір не споживає потужності змінного сигналу, а віддає її у зовнішнє коло.
В електроніці поняття “ негативний опір ” відоме давно. З допомогою негативного опору можна компенсувати втрати, які спричиняє в схемі негативний опір, і залежно від поставленого завдання здійснити підсилення, генерування або перетворення електричних сигналів.
На цьому явищі заснована робота тунельних діодів, які використовують для підсилення і генерування НВЧ коливань.
8. Гетероперехід Гетеропереходом (від грец. гетер – інші) називають перехід, створений в ре-
зультаті контакту напівпровідників з різною шириною забороненої зони. Прикладом гетеропереходів можуть бути переходи германій – кремній, германій – арсенід галію та ін.
Електронно – діркові переходи формуються в однорідних матеріалах (кремнію або германію та ін.). Напівпровідник обох ділянок має однакову ширину забороненої зони. Тому такі переходи ще називають гомопереходами.
Для формування гетеропереходів використовують напівпровідники з подібними кристалічними структурами. Принципово новий підхід у фізичному матеріалознавстві зумовив створення не тільки гетеропереходів між напівпровідниками n – і p – типу, але і гетеропереходи з одним типом провідності: nn або pp.
На рис.8. приведена енергетична діаграма p – n гетеропереходу, в якому ширина забороненої зони діркового напівпровідника менша, ніж у електронного.
Рис.8.Енергетична діаграма p – n гетеропереходу
Н.М. Щупляк. Основи електроніки і мікроелектроніки. |
|
http://dmtc.org.ua/ |
57 |