Туннелирование в микроэлектронике

 

Предложенный в 1958 г. японским учёным Л. Ёсаки туннельный диод изготовляется из германия или арсенида галлия с высокой концентрацией примесей (10¹⁹ — 10²⁰ см^-3 ), т. е. с очень малым удельным сопротивлением, в сотни или тысячи раз меньшим, чем в обычных диодах. Такие полупроводники с малым сопротивлением называют вырожденными. Электронно-дырочный переход в вырожденном полупроводнике получается в десятки раз тоньше (10^-6 см), чем в обычных диодах, а потенциальный барьер примерно в два раза выше. В обычных полупроводниковых диодах высота потенциального барьера равна примерно половине ширины запрещённой зоны, а в туннельных диодах она несколько больше этой ширины. Вследствие малой толщины перехода напряженность поля в нём даже при отсутствии внешнего напряжения достигает 10⁶ В/см.

Процессы  в туннельном диоде удобно рассматривать на энергетических диаграммах, показывающих уровни энергии валентной зоны и зоны проводимости в n- и р-областях. Вследствие возникновения контактной разности потенциалов в n-р-переходе границы всех зон в одной из областей сдвинуты относительно соответствующих зон другой области на высоту потенциального барьера, выраженную в электрон-вольтах.

На  рис.3.1-3.4 с помощью энергетических диаграмм изображено возникновение туннельных токов в электронно-дырочном переходе туннельного диода. Для того чтобы не усложнять рассмотрение туннельного эффекта, диффузионный ток и ток проводимости на этом рисунке не показаны. Диаграмма рис. 3.1 соответствует отсутствию внешнего напряжения. Высота потенциального барьера взята для примера 0,8 эВ, а ширина запрещенной зоны составляет 0,6 эВ.

 

 

                                                               U=0 B

 n                                   p

 

                                                ЗП

                              0,8 эВ

 

                                                                    i_пр 

                                                                 i_обр

                              0,6 эВ     ЗЗ

                                                                                          ВЗ 

 

 

Рис. 3.1  Диаграмма туннельного  диода при отсутствии внешнего напряжения.

 

Горизонтальными линиями в зоне проводимости и в валентной зоне показаны энергетические уровни, полностью или частично занятые электронами. В валентной зоне и зоне проводимости изображены также незаштрихованные горизонтальными линиями участки, которые соответствуют уровням энергии, не занятым электронами. Как видно, в зоне проводимости полупроводника n-типа и в валентной зоне полупроводника р-типа имеются занятые электронами уровни, соответствующие одинаковым энергиям. Поэтому может происходить туннельный переход электронов из области n в область р (прямой туннельный ток i_пр) и из области р в область n (обратный туннельный ток i_обр). Эти два тока одинаковы по значению, и результирующий ток равен нулю.

На рис. 3.2 показана диаграмма при прямом напряжении 0,1 В, за счёт которого высота потенциального барьера понизилась на 0,1 эВ и составляет 0,7 эВ. В этом случае туннельный переход электронов из области n в область р усиливается, так как в области р имеются в валентной зоне свободные уровни, соответствующие таким же энергиям, как энергии уровней, занятых электронами в зоне проводимости области n. А переход электронов из валентной зоны области р в область n невозможен, так как уровни, занятые электронами в валентной зоне области р, соответствуют в области n энергетическим уровням запрещённой зоны. Обратный туннельный ток отсутствует, и результирующий туннельный ток достигает максимума. В промежуточных случаях, например когда U_пр=0,05 В, существуют и прямой и обратный туннельный токи, но обратный ток меньше прямого. Результирующим будет прямой ток, но он меньше максимального, получающегося при U_пр= 0,1 В.

 

 

                                                             U_пр=0,1 B

 n                                   p

 

                                                ЗП

                              0,7 эВ

 i_пр

                                                                     

                                                                

                                                                                        ВЗ

                              0,6 эВ     ЗЗ

                                                                                   

Рис. 3.2  Энергетическая диаграмма  туннельного диода при U_пр=0,1 В

 

Случай, показанный на рис. 3.3 соответствует U_пр= 0,2 В, когда высота потенциального барьера стала 0,6 эВ. При этом напряжении туннельный переход невозможен, так как уровням, занятым электронами в данной области, соответствуют в другой области энергетические уровни, находящиеся в запрещённой зоне. Туннельный ток равен нулю. Он отсутствует также и при большем прямом напряжении. Следует помнить, что при возрастании прямого напряжения увеличивается прямой диффузионный ток диода. При рассмотренных значениях U_пр=0,2 В диффузионный ток гораздо меньше туннельного тока, а при U_пр>0,2 В диффузионный ток возрастает и достигает значений, характерных для прямого тока обычного диода.

 

                                                             U_пр=0,2 B

 n                                   p

 

                                                ЗП

                              0,6 эВ

 

                                                                     

                                                                

                              0,6 эВ       ЗЗ                                     ВЗ

                             

                                                                                   

Рис. 3.3  Энергетическая диаграмма  туннельного диода при U_пр=0,2 В

 

На  рис. 3.4 рассмотрен случай, когда обратное напряжение U_обр=0,2 В. Высота потенциального барьера стала 1 эВ, и значительно увеличилось число уровней, занятых электронами в валентной зоне р-области и соответствуют их свободным уровням в зоне проводимости n-области. Поэтому резко возрастает обратный туннельный ток, который получается такого же порядка, как и ток при прямом напряжении.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода (рис. 3.5) поясняет рассмотренные диаграммы. Как видно, при U=0 ток равен нулю. Увеличение прямого напряжения до 0,1 В дает возрастание прямого туннельного тока до максимума (точка А). Дальнейшее увеличение прямого напряжения до 0,2 В сопровождается уменьшением туннельного тока. Поэтому в точке Б получается минимум тока и характеристика имеет падающий участок АБ, для которого характерно отрицательное сопротивление переменному току:

                                   (3.1)

 

 

                                                               U_обр=0,2 B

 n                                   p

 

                                               

                                                ЗП

                                 1 эВ 

                                                                     

                                                                 i_обр

                             

                                                                                          ВЗ 

                              0,6 эВ        ЗЗ

 

Рис. 3.4  Энергетическая диаграмма  туннельного диода при U_обр=0,2 В.

 

                        i_пр, мА

 

                                   4 _                А

                                   3 _

 

                                   2 _

 

                                   1 _

                                                                            Б

U_обр               

                -0,1                                 0,1              0,2              0,3               0,4         U_пр 

 

                                         i_пр, мА

 

 

Рис. 3.5  Вольт-амперная характеристика туннельного диода.

 

После этого участка ток снова возрастает за счет прямого диффузионного тока. Обратный ток получается такой же, как прямой, т. е. вo много раз больше, нежели у обычных диодов.

Туннельны диоды могут примкнятся в технике СВЧ, а также во многих импульсных радиоэлектронных устройствах, рассчитанных на высокое быстродействие. Помимо весьма малой инерционности  достоинством туннельных диодов является их стойкость к ионизирующему излучению. Малое потребление энерги от источника питания также во многих случаях следует считать достоинством туннельных диодов. К сожелению, эксплутация этих диодов выявила существенный их недостаток. Он заключается в том, что эти иоды подвержены значительному старению, то есть с течением времени их характеристики и параметры заметно изменяются, что может привести к нарушению нормальной работы того или иного устройства.

Все туннельные диоды имеют весьма малые размеры. Например, они могут быть оформлены в целиндрических герметичных малостеклянных корпусах диаметром 3 – 4 мм и высотой около 2 мм. Выводы у них гибкие ленточные. Масса не превышает 0,15 г.

 

 

 

 

 

 

 

ЛИТЕРАТУРА

1. И.В. Боднарь, Л.Г. Березуцкий  «Методическое пособие к лабораторным работам по курсу ФХОМКиТ  РЭС и ЭВС». Мн.; БГУИР, 1997 г.
2. И.В. Боднарь, Л.Г. Березуцкий  «Методическое пособие для самостоятельной работы студентов по курсу ФХОМКиТ  РЭС и ЭВС. Раздел «Контактные явления»». Мн.; БГУИР,  1998 г.
3. Г.И. Епифанов, Ю.А. Мома  «Физические основы конструирования и технологии РЭА и ЭВА».  М.; «Советское радио», 1979 г.
4. И.П. Жеребцов  «Основы электроники». Ленинград, «Энергоатомиздат», 1985 г.
5. В.В. Новиков  «Теоретические основы микроэлектроники». М.; «Высшая школа», 1972 г.
6. К.В. Шалимова  «Физика полупроводников». М.; «Энергия», 1976 г.
7. Под редакцией Г.Г. Шишкина  «Электронные приборы». М.; «Энергоатомиздат», 1989 г.
8. А.А. Штернов  «Физические основы конструирования, технологии РЭА и микроэлектроники». М.; «Радио и связь», 1981 г.