隧道效应与隧道电流

• 3.重掺杂的作用
• 使杂质能级产生变化，在重掺杂的条件下，杂质能级展扩成杂质能带。 常以杂质能级进入半导体的导带或价带来表征。
• 4.重掺杂
N>1019 /cm-3
1-6-2隧道效应 隧道效应
• 当p-n结加反向偏压时，势垒区能带发生倾斜，反偏压越 大，势垒越高，势垒区内的电场越强，能带越加倾斜，可 以使N区的导带底比P区的价带顶还低，如图6-23所示。 • 当半导体中的电场变得非常高时以致存在一定的几率，即 共价键中的电子会直接激发到导带，此时可能会出现过大 的漏电流。这个几率的量子力学计算是由Clarence Zener 进行的。这种击穿机制不需要载流子的加速和碰撞。因此 仅在p+-n+结区观察到，因为那里由于重掺杂，空间电荷 区非常窄，载流子没有足够的路程获得足够的能量进行碰 撞电离。在这些条件下，由于耗尽层非常簿，以致会发生 隧道效应。重掺杂导致了隧道二极管的出现。
1-6 隧道效应与wenku.baidu.com道电流
• 当p-n结两边都是重掺杂，费米能级进入导 带和价带时，Esaki隧穿产生，可以因此制 得隧道二极管。这种器件可以用作高速开 关，或者用来产生高频震荡。
1-6-1 两种掺杂的PN结
• 1.常规掺杂浓度的PN结 即符合肖克莱方程的 I-V特性。 • 2.重掺杂的PN结
• • 1）隧道二极管 2）反向二极管
(2)加一很小的正向电压v，n区 能带相对于p区将升高qv， 如右图所示，这时结两边能 量相等的量子态中，p区价 带的费米能级以上有空量子 态，而n区导带的费米能级 以下有量子态被电子占据， 因此n区导带中的电子可能 穿过隧道到p区价带中，产 生从p区向n区的正向隧道电 流，这时对应于特性曲线上 的点1
• 讨论： • （1）当大到或势垒宽度小到一定程度时，P区的 价带高于N区的导带时，使P区价带中大量的电子 隧道穿过势垒到达N区导带，反向电流急剧增大， p-n结发生隧道击穿。 • （2）在杂质浓度N较低时，反向偏压V大时，势 垒宽度增大，不利于隧道击穿，却有利于雪崩倍 增效应。所以在一般杂质浓度下，雪崩击穿机构 是主要的。而当杂质浓度N较大且在反偏压不高 的情况下，会发生隧道击穿。故在重掺杂的情况 下，隧道击穿机构是主要的。
(3)继续增大正向电压，势垒高度 不断下降，有更多的电子从n 区穿过隧道到p区的空量子态， 使隧道电流不断增大。当正向 电流增大到Ｉp时，这时P区 的费米能级与n区导带底一样 高，n区的导带和p区的价带中 能量相同的量子态达到最多， n区的导带中的电子可能全部 穿过隧道到p区价带中的空量 子态去，正向电流达到极大值 Ｉp，这时对应于特性曲线的 点2.
(4)再增大正向电压，势垒高度 进一步降低，在结两边能量 相同的量子态减少，使n区 导带中可能穿过隧道的电子 数以及p区价带中可能接受 穿过隧道的电子的空量子态 均减少，如右图所示，这时 隧道电流减小，出现负阻， 如特性曲线上的点3
(5)正向偏压增大到vv时，n区 导带底和p区价带顶一样高， 如右图所示，这时 p区价带 和 n区导带中没有能量相同 的量子态，因此不能发生隧 道穿通，隧道电流应该减少 到零，对应于特性曲线上的 点4。但实际上在vv时正向电 流并不完全为零，而是有一 个很小的谷值电流Ｉv.实验 证明，谷值电流基本上具有 隧道电流的性质。
(6)对硅、锗p-n结来说，正向偏压大 于vv时，一般地扩散电流就开始成 为主要的，这时隧道结和一般p-n 结 的正向特性基本一样； (7)加反向偏压时，p区能带相对n区 能带升高，如图所示,p区中的价带 电子可以穿过隧道到n区导带中， 产生反向隧道电流。随着反向偏 压的增加，p区价带中可以穿过隧 道的电子数大大增加，故反向电 流也迅速增加，如特性曲线上的 点5所示。
1-6-3 隧道二极管
隧道二极管是因为用含有大量杂质的本征半导体制作 PN结时，会产生极薄的耗尽层，若加正向偏压，则在达 结时， 结时 会产生极薄的耗尽层，若加正向偏压， 到扩散电位之前，由于隧道效应而发生电流流动。 到扩散电位之前，由于隧道效应而发生电流流动。若接近 扩散电位，则为通常的二极管特性，所以如图所示， 扩散电位，则为通常的二极管特性，所以如图所示，在正 向电压低的范围，显示出负的电阻。 向电压低的范围，显示出负的电阻。 隧道二极管的优点是开 关特性好，速度快、 关特性好，速度快、工作频 率高；缺点是热稳定性较差。 率高；缺点是热稳定性较差。 一般应用于某些开关电路或 高频振荡等电路中。 高频振荡等电路中。
隧道二极管的电压电流特性
在简并化的重掺杂半导体中， n型半导体的费米能级进入了 导 带，p型半导体的费米能级 进入了价带。两者形成隧道结 后，在没有外加电压，处于热 平衡状态时，n区和p区的费米 能级相等。
图７
隧道电流随外加电压变化的情况
(1)隧道结未加电压时的能带图如 右图所示。这时P区价带和n区 导带虽然具有相 同能量的量子 态，但是n区和p区的费米能级 相等，在结的两边，费米能级 以下没有空量子态，费米能级 以上的量子态没有电子占据， 所以，隧道电流为零，对应于 特性曲线上的o点