ВУЗ:
Составители:
Рубрика:
Цель работы: исследование характеристик туннель-
ного диода.
Туннелирование в полупроводниках обладает рядом
очень интересных особенностей, обусловленных в первую
очередь тем, что электрические и магнитные свойства полу-
проводников можно менять в широких пределах, добавляя в
них различные примеси. Кроме того, эффективные массы
электронов в полупроводниках, как правило, значительно
меньше массы свободного электрона, поэтому туннелирова-
ние здесь может происходить на более далекие расстояния,
чем через вакуум или изолятор.
Дело в том, что электроны в кристаллах движутся в
периодической решетке ионов, взаимодействуя с ними и
друг с другом. Поэтому, когда мы говорим о свободном
движении электрона, имеющего энергию в разрешенной зо-
не, это не значит, что электрон по-настоящему свободен. Он
беспрепятственно переходит от узла к узлу в кристалличе-
ской решетке, но не все его характеристики совпадают с ха-
рактеристиками свободного электрона. Так, заряд его оста-
ется прежним, однако зависимость между кинетической
энергией Е
к
и импульсом меняется. Если у электрона в пус-
тоте Е
к
= р
2
/(2/я
0
), то для электрона в кристалле такая зави-
симость в общем не обязательна. Там же где она возможна,
коэффициент пропорциональности между Е
к
и р
2
и есть
1/(2/я*). Например, в полупроводнике GaAs эффективная
масса намного меньше массы свободного электрона: m*
=0,066m
0
.
Введение в полупроводник примесей приводит к по-
явлению разрешенных уровней в запрещенной зоне, и меж-
ду этими локальными уровнями и зонами кристалла проис-
ходит обмен электронами. Примеси, которые приводят к
образованию в полупроводнике уровней вблизи нижнего
края зоны проводимости, называются донорными. Для
кремния и германия донорами являются элементы V группы
таблицы Менделеева: Р, As, Sb. Эти элементы пятивалент-
ны. При замещении одного из атомов Si (или Ge) в кристал-
лической решетке атомом, например As, только четыре из
пяти валентных электронов этого атома оказываются свя-
занными в решетке, а пятый электрон остается «лишним».
Энергия связи этого электрона в кристалле невелика, и его
уровень располагается вблизи нижней зоны границы прово-
димости (на расстоянии ~0,01 эВ). Вероятность перехода та-
кого электрона в зону проводимости велика уже при обыч-
ных температурах, и поэтому полупроводники с донорными
примесями являются полупроводниками n-типа.
Если локальные уровни примесей расположены вни-
зу запрещенной зоны (вблизи границы валентной зоны), то
часть электронов валентной зоны переходит на эти уровни.
При этом в валентной зоне появляются дырки, и возникает
дырочная проводимость - проводимость p-типа. Атомы
примесей, вызывающих появление проводимости p-типа,
называются акцепторными. Для кремния и германия акцеп-
торами являются элементы III группы - В, Al, Ga, In. У этих
атомов не хватает одного электрона для образования кова-
лентной связи с четырьмя ближайшими атомами Si (или
Ge). Поэтому, например, при замещении одного из атомов
Si (или Ge) атомом. В одна двухэлектронная ковалентная
связь оказывается свободной и ее может занять электрон из
валентной зоны, в которой образуется дырка. Расстояние
локальных уровней такого типа от краев запрещенной зоны
составляет примерно 0,01 эВ, так что при комнатной темпе-
ратуре, которой соответствует энергия теплового возбужде-
ния 0,025 эВ, происходит как практически полная ионизация
донорных уровней, так и заполнение акцепторных уровней.
Что произойдет, если очень близко друг к другу по-
местить р- и п-области полупроводника, т.е. создать резкий
(р-n)-переход? Можно показать, что ширина (р-n)-перехода
d зависит от высоты потенциального барьера еV
к
(V
к
- кон-
тактная разность потенциалов) и определяется концентра-
цией донорной и акцепторной примеси N - чем больше при-
месей, тем уже переход:
Цель работы: исследование характеристик туннель- лической решетке атомом, например As, только четыре из
ного диода. пяти валентных электронов этого атома оказываются свя-
Туннелирование в полупроводниках обладает рядом занными в решетке, а пятый электрон остается «лишним».
очень интересных особенностей, обусловленных в первую Энергия связи этого электрона в кристалле невелика, и его
очередь тем, что электрические и магнитные свойства полу- уровень располагается вблизи нижней зоны границы прово-
проводников можно менять в широких пределах, добавляя в димости (на расстоянии ~0,01 эВ). Вероятность перехода та-
них различные примеси. Кроме того, эффективные массы кого электрона в зону проводимости велика уже при обыч-
электронов в полупроводниках, как правило, значительно ных температурах, и поэтому полупроводники с донорными
меньше массы свободного электрона, поэтому туннелирова- примесями являются полупроводниками n-типа.
ние здесь может происходить на более далекие расстояния, Если локальные уровни примесей расположены вни-
чем через вакуум или изолятор. зу запрещенной зоны (вблизи границы валентной зоны), то
Дело в том, что электроны в кристаллах движутся в часть электронов валентной зоны переходит на эти уровни.
периодической решетке ионов, взаимодействуя с ними и При этом в валентной зоне появляются дырки, и возникает
друг с другом. Поэтому, когда мы говорим о свободном дырочная проводимость - проводимость p-типа. Атомы
движении электрона, имеющего энергию в разрешенной зо- примесей, вызывающих появление проводимости p-типа,
не, это не значит, что электрон по-настоящему свободен. Он называются акцепторными. Для кремния и германия акцеп-
беспрепятственно переходит от узла к узлу в кристалличе- торами являются элементы III группы - В, Al, Ga, In. У этих
ской решетке, но не все его характеристики совпадают с ха- атомов не хватает одного электрона для образования кова-
рактеристиками свободного электрона. Так, заряд его оста- лентной связи с четырьмя ближайшими атомами Si (или
ется прежним, однако зависимость между кинетической Ge). Поэтому, например, при замещении одного из атомов
энергией Ек и импульсом меняется. Если у электрона в пус- Si (или Ge) атомом. В одна двухэлектронная ковалентная
тоте Ек = р2 /(2/я0), то для электрона в кристалле такая зави- связь оказывается свободной и ее может занять электрон из
симость в общем не обязательна. Там же где она возможна, валентной зоны, в которой образуется дырка. Расстояние
коэффициент пропорциональности между Ек и р2 и есть локальных уровней такого типа от краев запрещенной зоны
1/(2/я*). Например, в полупроводнике GaAs эффективная составляет примерно 0,01 эВ, так что при комнатной темпе-
масса намного меньше массы свободного электрона: m* ратуре, которой соответствует энергия теплового возбужде-
=0,066m0. ния 0,025 эВ, происходит как практически полная ионизация
Введение в полупроводник примесей приводит к по- донорных уровней, так и заполнение акцепторных уровней.
явлению разрешенных уровней в запрещенной зоне, и меж- Что произойдет, если очень близко друг к другу по-
ду этими локальными уровнями и зонами кристалла проис- местить р- и п-области полупроводника, т.е. создать резкий
ходит обмен электронами. Примеси, которые приводят к (р-n)-переход? Можно показать, что ширина (р-n)-перехода
образованию в полупроводнике уровней вблизи нижнего d зависит от высоты потенциального барьера еVк (Vк - кон-
края зоны проводимости, называются донорными. Для тактная разность потенциалов) и определяется концентра-
кремния и германия донорами являются элементы V группы цией донорной и акцепторной примеси N - чем больше при-
таблицы Менделеева: Р, As, Sb. Эти элементы пятивалент- месей, тем уже переход:
ны. При замещении одного из атомов Si (или Ge) в кристал-
