47. Тунельний ефект

Тунельний ефект полягає в тому, що електрони проходять через потенційний бар'єр р-n переходу, не змінюючи своєї енергії. Для одержання тунельного ефекту використовується напівпровідниковий матеріал з дуже великою концентрацією домішок. Внаслідок високого вмісту домішок в обох областях напівпровідникового кристала ширина р-n переходу виявляється дуже малою (не більш 0,01 мкм), що приводить до значного підвищення напруженості електричного поля на переході (порядку 10⁸ В/м). В цих умовах є кінцева ймовірність того, що електрон, що рухається вбік дуже вузького бар'єра, пройде крізь нього (як через "тунель") і займе вільний стан з такою же енергією по іншу сторону від бар'єрного шару. Щоб підкреслити специфічність проходження електронів через р-n перехід, описане явище було названо тунельним ефектом. Відомо, що збільшення концентрації донорних домішок зміщує рівень Фермі нагору, а збільшення концентрації акцепторних домішок - вниз відносно середини забороненої зони. Всередині р-n переходу границі енергетичних зон напівпровідників р- і n- типів викривляються. Внаслідок того, що рівні Ферми у вироджених напівпровідниках розташовані за межами забороненої зони, при здійсненні контакту утвориться зона перекриття, розташована між границею валентної зони WB напівпровідника р - типа і границею зони провідності Wn напівпровідника n-типу. У цій зоні дозволені рівні електронного напівпровідника розташовані проти дозволених рівнів діркового напівпровідника. Для простоти міркувань будемо вважати, що всі дозволені рівні, розташовані нижче рівня Ферми, зайняті електронами, а розташовані вище його - вільні. В дуже вузькому р-n переході при високій напруженості поля виникають умови для безперешкодного тунельного проходження електронів з одного шару в іншій крізь потенційний бар'єр. Однак для цього необхідно, щоб проти зайнятого електроном рівня по одну сторону бар'єра був вільний рівень за бар'єром. При відсутності зовнішньої напруги (U = 0 на рисунку 5, а) такої можливості фактично немає, тому що зайнятим рівням у зоні провідності напівпровідника n-типу протистоять зайняті рівні у валентній зоні напівпровідника р - типа. Якщо до р-n переходу прикласти невелику пряма напруга, то висота потенційного бар'єра і перекриття зон зменшаться (рисунок 4, б). Енергетична діаграма напівпровідника n- типа підніметься нагору, а напівпровідника р - типа опуститься вниз. При цьому рівні деяких електронів провідності n- області розташуються проти вільних рівнів валентної зони р - області. Тим самим створюються сприятливі умови для тунельного переходу електронів з електронного напівпровідника в дірковий. Тому через р-n перехід потече тунельний струм, величина якого буде залежати від величини прикладеної прямої напруги, Слід зазначити, що при прямій напрузі через р-n перехід, крім тунельного струму, проходить і дифузійний струм Ідиф, який створюється переміщенням електронів і дірок провідності. Отже., повний струм р-n переходу при тунельному ефекті складає І = І_{т. пр} - І_{т. обр} + І_диф  Відзначимо також, що дифузійний струм у випадку використання вирожденних напівпровідників виявляється на кілька порядків менше струму в звичайному р-n переході. Це пояснюється дуже малою концентрацією неосновних носіїв через збільшення концентрації домішок.