Материал: Методические указания для выполнения лабараторных работ. Оптика и атомная физика

Туннельные диоды представляют собой плоскостные диоды с высоколе-гированнымиn- и p-областями. В обычных диодах применяются полупровод-ники, содержащие концентрацию легирующих атомов не более 10²³ м^–3 (не-вырожденный полупроводник). Полупроводники, идущие на изготовление туннельных диодов, содержат бóльшую концентрацию (0²⁴...10²⁶ м^–3) доно-ров и акцепторов (вырожденный полупроводник).

117

Рис. 17.2. Вольтамперная

зоной проводимости n-области, а акцепторные уровни перекрываются с ва-лентной зоной p-области. За счет этого уменьшается ширина запрещенной зоны. Толщина p–n-перехода оказывается малой (единицы нанометров) за счет высокой концентрации легирующих примесей.

На рис 17.2 приведена вольтамперная характеристика туннельного дио-

да.

Если к р–n-переходу приложить напряжение в прямом направлении («плюс» к р-области, а «минус» к n-области), то высота потенциального барь-ера будет уменьшаться, поскольку пото-лок валентной зоны полу-проводника р-

зятся. Количество электронов, туннелиру-ющих из n-области диода в р-область, ста-

нет больше, чем переходящих в обратном направлении, так как заполненные состояния зоны проводимости n-области (лежащие выше уровня Ферми р-области) окажутся против незаполненных состояний валентной зоны р-области. Соответственно ток в прямом направлении начнет расти. Макси-мальным значение этого тока I1 (рис. 17.2) будет тогда, когда уровень Ферми материала n-типа и потолок валентной зоны совпадут. Другими словами, тун-нельный ток будет максимальным, если максимумы функций распределения будут приходиться на одни и те же значения энергии. Это происходит при напряжении U1, приложенном к диоду (рис. 17.2).

Дальнейшее увеличение прямого смещения приводит к уменьшению тун-нельного тока (спадающий участок AB вольтамперной характеристики на рис. 17.2), так как число занятых состояний в зоне проводимости n-области, лежа-щих напротив свободных состояний в валентной зоне p-области становится меньше из-за того, что значительная часть их оказывается против запрещенной

118

зоны p-области. Наконец, при таком напряжении U₂, при котором исчезает пе-рекрытие зон, туннельные переходы прекратятся и ток достигнет минимума. Отличие от нуля тока I₂ (рис.17.2) и дальнейшее увеличение прямого тока по мере возрастания напряжения объясняются обычным механизмом инжекции носителей зарядов. Инжекционный ток через p–n-переход обусловлен надба-рьерным переходом основных носителей заряда, как в обычных диодах.

Экспериментальная установка. В работе исследуется вольтамперная характеристика германиевого туннельного диода (например, типа ГИ 305 или родственных ему), теоретически и экспериментально определяется положе-ние экстремальных точек характеристики. Проводится оценка энергии Ферми

энергии, соответствующей максимумам функции плотности распределения носителей в зонах материала туннельного диода.

Указания по подготовке к работе

Изучить теорию туннельного эффекта для прямоугольного потенци-ального барьера. Получить выражение (17.1) для коэффициента прозрачно-сти прямоугольного барьера.

Оценить энергию Ферми в материале германиевого туннельного дио-да из следующих представлений. При T = 0 К функция Ферми w (E, 0) = 1 для всех энергий E EF . Тогда концентрация носителей связана с энергией Фер-

ми соотношением

N

=

EF

EC

G ( E ) dE

,

(17.3)

где

	1			2m		3/2		1/2
G(E) =						(E−E
	2	2		2			c	)

(17.4)

– плотность энергетических состояний, m – масса электрона. После подста-новки (17.4) в (17.3) получаем

3

3

2

2

(3 2N)3

1

2m 2

N =

(E

F

−E )2

,E

F

− E =

.

3 2

2

C

C

2m

При расчетах

принять

концентрацию

электронов

и дырок равной

8 10²⁵м^–3.

119

Найти энергию Em , соответствующую максимуму функции распреде-

ления электронов в зоне проводимости, исследованием на экстремум функции

n ( E , T )

=

G ( E ) w( E , T )

то есть из условия

=

0

.

Для самопроверки использовать результат:

E F − Em

1.1kT .

Оценить из вольтамперной характеристики значения напряжений U₁ и U₂, соответствующие наибольшему и наименьшему токам. Расчет вести по

формулам: U₁ = 2(E _F − E_m ) / e; U ₂ = 2(E _F − E_C ) / e.

Результаты сравнить со справочными значениями соответствующих па-раметров для исследуемого туннельного диода.

Используя типичные параметры германиевого туннельного диода (ширина запрещенной зоны E_g= 0.67 эВ, толщина перехода l = 2 нм, площадь

= =

2(EF

EC −1.1kT

EC ) + Eg

,

.

высоту барьера определить выражением

6. По формуле I1 = eSND ( Em − EC ) / 2m оценить ток в максимуме

вольтамперной характеристики диода. Результат сравнить с эксперименталь-ным значением I₁ для исследуемого диода.