隧道效应与隧道电流课件

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

N>1019/cm-31-6-2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ClarenceZener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

(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。

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，