Туннельный эффект в электронно-дырочном переходе.

При подаче на электронно-дырочный переход достаточно высокого обратного смещения U = U_пр возникает электрический пробой, при котором протекает большой обратный ток. Состояние, при котором происходит электрический пробой p-n- перехода, является нормальным режимом работы некоторых полупроводниковых приборов, например, стабилитронов.

В зависимости от физических процессов, обуславливающих резкое возрастание обратного тока, различают три основных механизма пробоя p-n-перехода: туннельный, лавинный, тепловой.

Туннельный (зинеровский) пробой, возникает при туннелировании носителей сквозь барьер, когда происходит, например, туннельное просачивание электронов из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области полупроводника. Туннелирование электронов происходит в том месте p-n-перехода, в котором в результате его неоднородности возникает наиболее высокая напряженность поля. Напряжение туннельного пробоя p-n-перехода зависит не только от концентрации легирующей примеси и критической напряженности поля, при которой происходит возрастание туннельного тока через p-n-переход, но и от толщины p-n- перехода. С увеличением толщины p-n-перехода вероятность туннельного просачивания электронов уменьшается, и более вероятным становится лавинный пробой.

При лавинном пробое p-n-перехода на длине свободного пробега в области объемного заряда носитель заряда приобретает энергию, достаточную для ионизации кристаллической решетки, то есть в его основе лежит ударная ионизация. С ростом напряженности электрического поля интенсивность ударной ионизации сильно увеличивается и процесс размножения свободных носителей заряда (электронов и дырок) приобретает лавинный характер. В результате ток в p-n- переходе неограниченно возрастает до теплового пробоя.

Тепловой пробой, связанный с недостаточностью теплоотвода, как правило, локализуется в отдельных областях, где наблюдается неоднородность структуры p-n-перехода, а, следовательно, и неоднородность протекающего через него обратного тока. Повышение температуры вызывает дальнейшее увеличение обратного тока, что в свою очередь, вызывает увеличение температуры. Тепловой пробой — необратимый процесс, преобладающий в полупроводниках с относительно узкой запрещенной зоной.

В p-n-переходах может также наблюдаться поверхностный пробой. Напряжение поверхностного пробоя определяется величиной заряда, локализованного на поверхности полупроводника в месте выхода p-n-перехода наружу. По своей природе поверхностный пробой может быть туннельным, лавинным или тепловым.

Помимо использования нелинейности вольтамперной характеристики и зависимости емкости от напряжения, p-n- переходы находят многообразные применения, основанные на зависимости контактной разности потенциалов и тока насыщения от концентрации неосновных носителей. Концентрация неосновных носителей существенно изменяется при различных внешних воздействиях — тепловых, механических, оптических и др. На этом основан принцип работы различного рода датчиков: температуры, давления, ионизирующих излучений и т. д. p-n-переходы используются также для преобразования световой энергии в электрическую в солнечных батареях.

Электронно-дырочные переходы являются не только основой разного рода полупроводниковых диодов, но также входят в качестве составных элементов в более сложные полупроводниковые приборы — транзисторы, тиристоры и т. д. Инжекция и последующая рекомбинация неосновных носителей в p-n-переходах используются в светоизлучающих диодах и инжекционных лазерах.

Электронно-дырочный переход обладает емкостными свойствами. Различают два типа емкостей р-n перехода – барьерную (зарядную) и диффузионную.

Барьерной емкостью называют емкость, образованную разноимёнными объемными зарядами примесных атомов доноров и акцепторов. При изменении приложенного к р-n переходу напряжения, изменяется ширина р-n перехода и его объемный заряд. Изменение величин заряда на переходе при изменении напряжения происходит не мгновенно, а постепенно, что характерно для емкостного эффекта.

.

По своей природе и физическим свойствам эта емкость сходна с емкостью плоского конденсатора, поэтому ее можно определить по следующей формуле (плоского конденсатора).

. (7.16)

Из этой формулы следует, что барьерная емкость зависит от концентрации примесей, толщины и площади р-n перехода, а также величины и полярности приложенного напряжения. Чем выше концентрация примесей, тем меньше ширина р-n перехода и больше барьерная емкость.

При воздействии на р-n переход обратного напряжения (-U) переход расширяется, а барьерная емкость уменьшается. Прямое напряжение (U_пр) сужает р-n переход, что ведет к увеличению С_бар.. Примерный вид зависимости С_бар.от приложенного напряжения имеет вид, приведённый на рис.2.13. Изменение С_бар. от внешнего напряжения используется в специальных полупроводниковых приборах – варикапах и параметрических диодах, которые применяются для генерирования, усиления сигналов, автоматической подстройки, умножения частоты и т.д. В интегральных микросхемах С_бар используется в качестве конденсаторов.

Рис. 7.11

При прямом включении р-n перехода к барьерной емкости добавляется диффузионная С_диф . она характеризует накопление подвижных носителей заряда в р и n областях. Предположим , что р-n переход включен в прямом направлении. Подвижные носители зарядов инжектируют через понизившийся потенциальный барьер, и не успев рекомбинировать, накапливаются, образуя С_диф.

Величина диффузионной емкости может быть определена по следующее формуле:

. (7.17)

Отсюда видно, что С_диф тем больше, чем больше прямой ток через р-n переход и время жизни неосновных носителей (чем больше прямой ток, тем больше число носителей накапливаются по обе стороны от перехода, а чем больше время жизни, тем дольше будут существовать накопленные заряды не рекомбинируя).

Полная емкость р-n перехода определяется как сумма емкостей.

С_П = С_бар + С_диф.

При включении р-n переход в прямом направлении, преобладает С_диф и С_П С_диф, а в обратном направлении – барьерная (С_диф 0, С_П С_бар).