Изучение туннельного диода и описание его свойств на основе квантовой статистики. - 1 стр.

                                 Лабораторная работа 5-10
      ИЗУЧЕНИЕ ТУННЕЛЬНОГО ДИОДА И ОПИСАНИЕ ЕГО СВОЙСТВ НА ОСНОВЕ
                             КВАНТОВОЙ СТАТИСТИКИ
   Цель работы: снять вольтамперную характеристику, определить параметры и изучить
принцип работы туннельного диода.
                              ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
   Квантовый туннельный эффект обуславливает протекание ряда процессов в твердых телах,
в частности, выход электронов с поверхности металла под действием электрического поля
большой напряженности (анодоэлектронная эмиссия). Примером туннельного эффекта является
переход сверхпроводящих электронов через топкий слой непроводящего вещества (эффект
Джефферсона) и ряд других явлений. При определенных условиях возможно туннельное
прохождение электронов через потенциальный барьер p-n-перехода. Это явление лежит в
основе принципа работы туннельного диода.
   В обычных полупроводниковых диодах с широкими электронно-дырочными p-n-
переходами и низкой напряженностью электрического поля вероятность туннельного эффекта
очень мала. С увеличением напряженности и уменьшением ширины p-n-перехода создается
возможность туннельного прохождения электронов. Эти условия обеспечиваются в туннельном
диоде применением сильно легированных полупроводников p- и n-типов. Концентрация
носителей в них достигает величины порядка 5•1025 м−3, близкой к металлам, т.е.
полупроводники становятся вырожденными.
   Число состояний С оказывается одного порядка с числом частиц N и выполняется условие
вырождения N/G=1. В полупроводнике с малой концентрацией примесей, например, в донором,
электроны располагаются на одном донором энергетическом уровне (статистика классическая).
В вырожденном полупроводнике в соответствии с квантовой статистикой на энергетическом
уровне может быть только два электрона.
   Донорные уровни в n-полупроводнике
(при их большом числе) размываются в зону,
перекрывающуюся с зоной проводимости,
акцепторные уровни в зону,
перекрывающуюся с валентной зоной. Это
приводит к сужению запрещенной зоны Еg
(энергетической щели - рис.1).
   Уровень Ферми располагается внутри
валентной зоны проводимости p-типа и
внутри зоны проводимости n-типа. Ниже
уровня Ферми в основном располагаются
                                              Рис. 1. Схема расположения энергетических
занятые уровни (штрихованные) , выше
                                                     уровней в туннельном диоде без внешнего
свободные уровни (рис. 1. а, б). Все уровни с
                                                     поля (а) и с внешним полем резного
энергией, меньше μ, заняты электронами, с
                                                     направления (б) и (в) : Ес – дно зоны
большей μ свободны, что возможно при Т=0.
                                                     проводимости; Еv – потолок зоны
   Прозрачность барьера, зависящая от
                                                     проводимости; Еg – ширина запрещенной
контактной разности потенциалов, его
                                                     зоны.
ширины d      при данной Еg выражается
формулой
                                                     1
                                              −              ⋅ m*⋅ E g ⋅d
                                                  q ⋅h ⋅ 2
                                    D = Do ⋅ e
   Видно, что вероятность туннельного эффекта увеличивается при уменьшении d и
эффективной массы электрона m* или дырки (q0 заряд электрона). Применяются
полупроводники с малой эффективной массой m*: СаАб, JnSb. Высокая, концентрация
носителей зарядов приводит к сужению ширины p-n-перехода равной 10–8м, что на порядок
меньше, чем в обычном диоде. При контактной разности потенциалов 0,6 - 0,7 В и d=10-8м
получаем напряженность поля в переходе (6 – 7)•10 В/м. При таких условиях существует
вероятность туннельного прохождения около 1012 электронов в секунду через 1 см2 площади.