2008

[Напівпровідникові прилади].

Тунельний ефект.

Тунельний ефект полягає в тому що при певних умовах електрони можуть проходити через потенціальний барєр ПН переходу не змінюючи своєї енергії. Для одержання тунельного ефекту використовують напів провідники (германій або арсенід галію) з дуже високою концентріцією домішок (1020 до 1021 1/см3 атомів домішки на сантиметер кубічний напів провідника), втой час як звичайна концентрація домішок в напівпровідниках не перевищує 1015-1016 1/см3. Напівпровідники з таким високим вмістом домішок називаються виродженими , оскільки їхні властивості дуже близькі до властивостей металів. Внаслідок високого вмісту домішок в обох напівпровідниках які утворють ПН перехід ширина ПН переходу в десятки разів менша ніж у звичайних діодах, що приводить до значного підвищення напруженості (Е)електричного поля у переході навіть при відсутності зовнішньої напруги. У цих умовах існує ймовірність того що електрон який рухається або знаходиться біля цього вузького барєра пройде через ного наскрізь як через тунель і займе вільний стан зтакою самою енергією по інший бік ПН переходу. Такий тунельний перехід з енергією меншою від висоти потенціального барєра ПН переходу може здійсьнювати в двох напрямах але при умові що по інший бік барєра для пунельних електронів є вільні рівні енергії,описане явище називається тунельним ефектом. Тунельний діод.

Процеси в тунельному діоді зручно розглядати на енергетичних діаграмах. Відомо що збільшення концентрації домішок зміщує рівень фермі (Еф) напівпровідників Н типу в гору а напів провідників П типу вниз відносно забороненої зони. При концентрації домішок 1023 1/см3 рівень фермі напівпровідника Н типу знаходиться в середині зони провідності а напівпровідника Р типу в середині валентної зони (малюнок 1).при утворенні РН переходу і відсутності зовнішньої напруги рівні фермі (ЕфН і ЕфП) напівпровідників які утворюють РН перехід збігаються , оскільки значення енергії рівня фермі повинне бути однакове у всьому тілі (малюнок 2), при цьому в середині ПН переходу енергетичні рівні напів провідників П і Н типу викривляються в наслідок того що рівні фермі вироджених напівпровідників знаходяться за межами забороненої зони, то при утворенні контакту між напівпровідниками утворюється зона перекриття валентної зони напівпровідника П і зони провідності Н. У цій зоні дозволені рівні Н типу розташовані напроти дозволених рівнів П типу, для тунельного проходження електронів зоднієї обласчті в іншу крізь потенціальний барєр необхідно щоб навпроти зайнятого електроном рівня по один бік барєра був розташований вільний рівень за бар’єром, при відсутності зовнішньої напруги такої можливості немає тому тунельні переходи практично відсутні і струм через ПН перехід=0 (малюнок 6)

Якщо до ПН переходу прикласти невелику вхідну напругу (0<U<U1) то величина потенціального барєра і величина зон перекриття зменшується (малюнок 3) при цьому рівні частини електронів зони провідності Н області розташуються навпроти рівнів валентної зони П області, тим самим утворюючи умови для тунельного переходу з Н області в П, тому через ПН перехід потече тунельний струм величина якого буде залежати від прикладеної прямої напруги (малюнок 6 ділянка О-В). Максимального значення тунельний струм досягне тоді коли навпроти заповнених рівнів Н області розміститься максимальна кількість вільних рівнів валентної зони П області (малюнок 3, 6 точка В). При збыльшенні прямої напруги прикладеної до тунельного діода яка перевищує значення U1 прямий тунельний струм починає зменшуватися (ділянка В-С) це повязане із зменшенням перекриття енергетичних зон напівпровідника який утворює ПН перехід, при деякому значинні прямої напруги U2 коли перекриття зон повністю зникає (малюнок 4) тунельний струм досягає мінімального значення (точка С) тунельний діод набирає звичайних властивостей ПН переходу. При нодачі на тунельний ПН перехід зворотьньої напруги , енергетичні зони напівпровідників:Н типу спускається в низ а П типу піднімається в гору (малюнок 5) прицьому перекриття зон збільшується, електрони з валентної зони П типу мають змогу тунелювати в зону провідності Н типу зворотній струм через діод різко зростає, томе однобічної провідності як у звичайного ПН переходу тунельний ПН перехід немає. Із зменшенням напруги на ділянці С-Д струм через тунельний діод зростає, це означає що на цій ділянці ПН перехід створює змінному струму деякий негативний опір -R=-(U/I).Зменшення струму з ростом напруги і навпаки еквівалентне зсуву фази між цими величинами на 180о тому потужність сигналу буде мати негативний знак. Потужність Р=U*I<0 звідци слідує що негативний опір не споживає потужності змінного струму, а віддає його у зовнішнє коло. З допомогою негативного опору можна компенсувати втрати енергії на позитивному опорі кола. Таким чином здійснюється підсилення,генерування або перетворення електричних сигналів.

Принцип підсилення сигналів з допомогою тунельних діодів показаний на малюнках 7-8, для отримання реверсу підсилення необхідно мати строго певні значення напруги джерела(Е) і опору павантаження такі щоб робоча точка тунельного діода знаходилась по середині падаючої ділянки ВАХ (точка В милюнок 8). При подачі змінної вхідної напруги Uвх замплітудою Um вх лінія навантаження буде здійсьнювати коливання переміщуючись паралельно сама собі при цьому робоча точка тунельного діода вихідної напруги Umax вих буде значно більшою від амплітуди вхідної напруги. Розглянемо роботу тунельного діода в перемикаючій схемі (малюнок 9). До подачі змінного вхідного струму через тунельний діод під дією напруги(Е) тече постійний струм із силою i0 при подачі змінного сигналу Uвх струм у полі діода буде збільшуватися або зменшуватися на величину і1 , яка залежить від