1、1-6 隧道效应与隧道电流,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 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N1019 /cm-3,1-6-2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
2、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。,1-6-3 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，则在达到扩散电位之前，由于隧道效
3、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，在正向电压低的范围，显示出负的电阻。,隧道二极管的电压电流特性,隧道二极管的优点是开关特性好，速度快、工作频率高；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。,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,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
4、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,(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,(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p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
5、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p，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v.实验证明，谷值电流基本上
6、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。,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。,
