Туннельный пробой - увлекательное квантовое явление, позволяющее электронам проникать сквозь энергетические барьеры. Давайте разберемся, как оно происходит и почему так важно для полупроводниковой электроники. Приготовьтесь к путешествию в микромир!
Сущность туннельного пробоя
Туннельный пробой p-n перехода - это резкое увеличение обратного тока через переход при прикладывании определенного критического напряжения. Это обусловлено туннельным эффектом, то есть квантовомеханическим "просачиванием" электронов сквозь узкий потенциальный барьер в запрещенной зоне полупроводника.
Для возникновения этого эффекта необходимы два условия:
- Узкий p-n переход, что обеспечивается высоким легированием областей;
- Высокая напряженность электрического поля в переходе.
Благодаря этим условиям энергетические зоны сильно искривляются, валентная зона и зона проводимости частично перекрываются, и электроны могут туннелировать сквозь барьер без изменения энергии.
На практике туннельный пробой широко используется в таких полупроводниковых приборах, как стабилитроны и туннельные диоды.
Механизм туннельного пробоя p-n перехода
Для понимания механизма туннельного пробоя давайте более подробно разберем строение и работу p-n перехода.
P-n переход представляет собой границу между двумя полупроводниковыми областями с разным типом проводимости. Обычно это область p-типа, легированная акцепторными примесями, и область n-типа, легированная донорными примесями. На границе этих областей формируется так называемая область пространственного заряда.
Область пространственного заряда p-n перехода представляет собой зону шириной порядка 1 мкм, практически свободную от носителей заряда, в которой существует электрическое поле, направленное от n-области к p-области.
При наложении внешнего напряжения на p-n переход его энергетические зоны искривляются. При прямом включении это облегчает инжекцию носителей заряда и возникновение диффузионного тока. А при обратном включении барьер для носителей усиливается, но может происходить туннелирование.
При высоких обратных напряжениях, соответствующих началу туннельного пробоя, зоны искривляются настолько, что валентная зона p-области и зона проводимости n-области частично перекрываются в энергии. Это перекрытие называется интервалом туннелирования. В его пределах электроны могут переходить между зонами, то есть туннелировать сквозь барьер без изменения своей энергии.
Таким образом происходит резкий рост потока электронов от валентной зоны p-области к свободным состояниям в зоне проводимости n-области. Этот туннельный ток превышает обычный обратный ток в десятки раз, что и наблюдается как туннельный пробой p-n перехода.
Условия и вероятность туннелирования
Вероятность реализации туннельного эффекта существенно зависит от параметров потенциального барьера в p-n переходе. Главными факторами являются высота барьера Еб, его ширина d и напряженность электрического поля E.
Высота барьера определяется шириной запрещенной зоны полупроводника ΔEg. Чем уже запрещенная зона, тем ниже барьер и выше вероятность туннелирования. Например, для германия с ΔEg = 0,7 эВ она выше, чем для кремния с ΔEg = 1,1 эВ.
Ширина барьера зависит от толщины области пространственного заряда в переходе. Ее можно уменьшить, повысив концентрацию легирующих примесей в p- и n-областях до 1017 - 1018 см-3.
Напряженность электрического поля играет решающую роль. При E > 105 В/см вероятность туннелирования резко возрастает. Это поле достигается за счет высоких обратных напряжений на узких переходах.
Сравнение с другими видами пробоя
Туннельный пробой следует отличать от двух других механизмов пробоя p-n перехода: лавинного и теплового.
Лавинный пробой возникает при меньшей напряженности поля в более широких переходах. Его механизм - лавинное размножение носителей в электрическом поле за счет ударной ионизации атомов решетки.
Тепловой пробой связан с чрезмерным разогревом перехода протекающим током из-за плохого отвода тепла. Это приводит к росту числа носителей по тепловому механизму.
В отличие от них, туннельный пробой определяется квантовомеханическим эффектом туннелирования носителей сквозь барьер.
Зависимость напряжения пробоя от параметров
Напряжение, при котором начинается туннельный пробой p-n перехода, зависит от ряда факторов.
Во-первых, оно различно для переходов с базой n- и p-типа. Для базы с электронной проводимостью оно больше:
Во-вторых, напряжение туннельного пробоя уменьшается с ростом температуры, так как сужается запрещенная зона ΔEg.
И наконец, оно тем ниже, чем выше концентрация легирующих примесей в базе перехода.
Практическое применение туннельного пробоя
Явление туннельного пробоя широко используется в полупроводниковых приборах, таких как стабилитроны и туннельные диоды.
В стабилитронах туннельный пробой применяется для стабилизации напряжения. При превышении определенного порога начинается интенсивный туннельный ток, благодаря которому напряжение на стабилитроне не растет дальше.
Для этого в стабилитронах формируют p-n переход с концентрацией легирующих примесей порядка 1017-1018 см-3. Это обеспечивает наступление туннельного пробоя при напряжении в несколько вольт.
Туннельные диоды
В туннельных диодах используются очень сильно легированные (вырожденные) области с концентрацией примесей >1019 см-3. В таких структурах туннелирование возможно даже при малых прямых напряжениях, что приводит к отрицательному дифференциальному сопротивлению.
Это свойство позволяет применять туннельные диоды в СВЧ-электронике для генерации и усиления колебаний высокой частоты.
Перспективы развития технологий
Дальнейшее развитие полупроводниковой технологии может расширить области использования туннельного пробоя благодаря оптимизации параметров структур.
В частности, переход к нанометровым размерам элементов позволит создавать сверхтонкие туннельно-прозрачные барьеры в различных приборах, работающих на новых физических принципах.
Экспериментальные методики
Для изучения туннельного пробоя p-n переходов используется комплекс экспериментальных методик.
В их основе лежат измерения вольт-амперных характеристик исследуемых структур. По характерным особенностям ВАХ определяют параметры туннелирования и критерии наступления пробоя.
Также анализируют температурные и частотные зависимости ВАХ, что позволяет выявить механизмы токопрохождения в разных режимах.
Полученные экспериментальным путем данные сравнивают с теоретическими моделями туннельного пробоя.
Туннельный пробой p-n перехода - важное квантовое явление, широко применяемое в современной полупроводниковой технике. Понимание физических механизмов и закономерностей туннелирования отрывает новые перспективы в развитии электроники будущего.
