Туннельный диод и его свойства.

Федеральное агентство по образованию

Министерство образования и науки Российской Федерации

Реферат

По нанотехнологиям

«ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД»

Выполнил

Курс 4, очного отделения

Проверил

2009

Туннельный диод, двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, в котором имеется очень узкий потенциальный барьер, препятствующий движению электронов; разновидность полупроводникового диода. Вид вольтамперной характеристики (ВАХ) туннельного диода определяется главным образом квантово-механическим процессом туннелирования, благодаря которому электроны проникают сквозь барьер из одной разрешенной области энергии в другую. Изобретение туннельного диода впервые убедительно продемонстрировало существование процессов туннелирования в твёрдых телах. Создание туннельного диода стало возможно в результате прогресса в полупроводниковой технологии, позволившего создавать полупроводниковые материалы с достаточно строго заданными электронными свойствами. Путём легирования полупроводника большим количеством определённых примесей удалось достичь очень высокой плотности дырок и электронов в р- и n- областях, сохранив при этом резкий переход от одной области к другой. Ввиду малой ширины перехода (50--150 Е) и достаточно высокой концентрации легирующей примеси в кристалле, в электрическом токе через туннельный диод доминируют туннелирующие электроны. При увеличении напряжения смещения до U1 межзонный туннельный ток возрастает. Однако при дальнейшем увеличении напряжения (например, до значения U2) зона проводимости в n-oбласти и валентная зона в р-области расходятся, и ввиду сокращения числа разрешенных уровней энергии для туннельного перехода ток уменьшается -- в результате туннельный диод переходит в состояние с отрицательным сопротивлением. При напряжении, достигшем или превысившем U3, как и в случае обычного р- n-перехода, будет доминировать нормальный диффузионный (или тепловой) ток.

Первый туннельный диод был изготовлен в 1957 из германия; однако вскоре после этого были выявлены др. полупроводниковые материалы, пригодные для получения туннельного диода: Si, InSb, GaAs, InAs, PbTe, GaSb, SiC и др. В силу того что туннельный диод. в некотором интервале напряжений смещения имеют отрицательное дифференциальное сопротивление и обладают очень малой инерционностью, их применяют в качестве активных элементов в высокочастотных усилителях электрических колебаний, генераторах и переключающих устройствах.

1. Образование р-n-перехода

Контакт двух полупроводников, р- и n- типа называется р-n-переходом. Рассмотрим процессы, проходящие на границе двух полупроводников с разными типами проводимости. Так как концентрация свободных электронов в n-области больше, чем в р-области, электроны из n-области диффундируют в р-область (б). В обратном направлении диффундируют дырки. Попадая в область с противоположной проводимостью, свободные носители заряда рекомбинируют, вследствие чего вблизи контакта наблюдается уменьшение концентрации свободных дырок и электронов. Так как атомные остатки (ионы) в р-области заряжены отрицательно, а в n-типа - положительно, то вблизи границы n-области образуется положительный заряд, а в р-области - отрицательный, т.е. на границе образуется двойной электрический слой (в). Возникающая между двумя областями разность потенциалов препятствует дальнейшей диффузии через границу основных носителей тока, т.е. электронов из n-области и дырок из р-области. Энергия электронов в р-области увеличивается, поэтому границы зоны проводимости и валентной зоны для электронов искривляются - становятся выше, чем в n-области. В то же время, возникшее на границе поле, способствует движению через переход неосновных носителей (электронов из р-области и дырок из n-области). Между основными и неосновными носителями заряда, проходящими через контакт, устанавливается динамическое равновесие.

Образование p-n-перехода при соединении двух полупроводников с разным типом проводимости: а - до контакта между ними, б - в момент контакта, в - равновесное состояние p-n-перехода с двойным электрическим слоем и искривленными границами зоны проводимости и валентной зоны для электронов.

2. Действие внешнего напряжения на p-n-переход в полупроводниках.

При включении контактирующих n- и р-полупроводников во внешнюю цепь источника электрической энергии внешнее электрическое поле, усиливая поле контактного слоя, вызовет движение электронов в n-полупроводнике и дырок в р-полупроводнике в противоположные стороны от контакта. Толщина запирающего слоя и его сопротивление будут возрастать. Такое направление внешнего электрического поля называется запирающим. В этом направлении ток через р-n-переход практически не проходит. При изменении полярности внешнего приложенного напряжения (рис. VII.2.22) внешнее электрическое поле с напряженностью Е_внешн направлено противоположно полю контактного слоя. Встречное движение электронов и дырок, перемещающихся под действием внешнего поля из глубины полупроводников к области р-n-перехода, увеличивает число подвижных носителей тока на контакте. Толщина и сопротивление контактного слоя при этом уменьшаются, и в таком пропускном направлении электрический ток проходит через р-n-переход. Вентильное действие р-n перехода аналогично выпрямляющему действию двухэлектродной лампы--диода, и полупроводниковое устройство, содержащее один/два перехода, называется полупроводниковым диодом. Кристаллические триоды, или транзисторы, содержат два р-n-перехода.

Если полупроводник включить в электрическую цепь так, что напряженность внешнего поля будет направлена против напряженности поля на контакте, то динамическое равновесие нарушится и через контакт потечет ток основных носителей (б). Такое включение называется прямым или проводящим. Если направление напряженности внешнего электрического поля совпадает с направлением напряженности поля на границе двух областей, то через полупроводник потечет только небольшой ток неосновных носителей, значение которого мало зависит от приложенного напряжения, так как даже при наличии небольшого поля на границе ток неосновных носителей достигает насыщения. Такое включение называется обратным (а).

Подключение p-n-перехода к источнику внешнего напряжения а - обратное смещение, б - прямое смещение.

3. Действие внешнего напряжения p-n-переходах сильно легированных полупроводников

В туннельном диоде материал должен быть сильно легированным, чтобы уровень Ферми n-области находился в зоне проводимости, а уровень Ферми р-области -- в валентной зоне (а). При таком легировании с концентрацией примеси 10¹⁹ - 10²⁰ см^-3 примесные состояния перестают быть изолированными в кристалле. Они начинают перекрываться с зоной проводимости или валентной зоной: уровень Ферми при этом смещается в одну из зон и газ носителей заряда в этой зоне становится вырожденным. Это приводит не только к очень малой ширине р -- n-перехода (~1 нм), но и к очень важному изменению вольтамперной характеристики диода. Обедненный слой становится настолько тонким, что туннелирование электронов происходит даже при очень небольших смещениях.

Принцип действия туннельного диода. Вследствие сильного легирования уровень Ферми не находится в запрещенной зоне, а -- нулевое смещение; б -- обратное смещение; в -- небольшое прямое смещение; г -- большое прямое смещение.

Рассмотрим сначала случай обратного смещения (б). Если к туннельному диоду приложить обратное напряжение, то электроны из р-области (с энергиями в верхней части валентной зоны, т.е. электроны, образующие ковалентные связи), непосредственно окажутся (и физически, и по энергии) напротив вакантных состоянии n-области, и через переход потечет туннельный ток. Таким образом, в этом случае диод действует как обычный проводник. Подобный эффект имеет место при туннельном пробое в стабилитроне.

Если же к туннельному диоду приложить небольшое прямое напряжение (в), то он будет вести себя как проводник вплоть до некоторого критического напряжения, при котором энергия дна зоны проводимости n-области сравняется с потолком валентной зоны р-области. При этом туннельный эффект прекращается, поскольку для электронов зоны проводимости не оказывается разрешенных энергетических состояний по другую сторону перехода. При прямом напряжении, превышающем напряжение отсечки туннельного тока (г), проводимость, как и в обычном диоде, целиком обеспечивается тепловым возбуждением электронов.

4. Туннельный эффект: свойство волновой функции и проницаемости потенциального барьера

Туннельный эффект -- квантовое явление проникновения микрочастицы из одной классически доступной области движения в другую, отделённую от первой потенциальным барьером. Если рассматривается микрообъект, например, электрон в потенциальной яме, то в отличие от классической механики существует конечная вероятность обнаружить этот объект в запрещенной области пространства, там, где его полная энергия меньше, чем потенциальная энергия в этой точке.[3] Вероятность обнаружения частицы в какой-либо точке пространства пропорциональна квадрату модуля волновой функции ј. При подлёте к потенциальному барьеру частица пройдёт сквозь него лишь с какой-то долей вероятности, а с какой-то долей вероятности отразится. Главная особенность заключается в том, что очень малая величина (постоянная Планка) стоит в знаменателе экспоненты, вследствие чего коэффициент туннелирование через барьер классической частицы большой массы очень мал. Чем меньше масса частицы, тем больше и вероятность туннельного эффекта. Так, при высоте барьера в 2 эВ и ширине 10-8 см вероятность прохождения сквозь барьер для электрона с энергией 1 эВ равна 0,78, а для протона с той же энергией лишь 3,6е10^-19. Если же взять макроскопическое тело -- шарик массой в 1 г, движущийся по горизонтальной поверхности с очень малой скоростью (кинетическая энергия близка к нулю), то вероятность преодоления им препятствия -- лезвия бритвы толщиной 0,1 мм, выступающего над горизонтальной поверхностью на 0,1 мм, равна 10-26. Прохождение частицы сквозь потенциальный барьер можно пояснить и с помощью соотношения неопределённостей. Неопределённость импульса " р на отрезке х, равном ширине барьера а, составляет: р > а. Связанная с этим разбросом в значениях импульса кинетическая энергия может оказаться достаточной для того, чтобы полная энергия частицы оказалась больше потенциальной.

5. Вольтамперная характеристика туннельного диода

Результирующая вольт-амперная характеристика туннельного диода определяется комбинацией туннельных и тепловых свойств и имеет довольно необычный вид. В той части характеристики, в которой туннелирование заменяется током, обусловленным тепловым возбуждением электронов, с ростом смещения происходит резкое уменьшение тока.

Если прямое напряжение на диоде соответствует максимуму туннельного тока, то диод можно использовать в качестве быстродей-ствующего триггера. В этих условиях даже очень слабый импульс тока через диод будет вызывать мгновенное изменение напряжения на диоде от значения U_o до U₁. Очень высокая скорость, с которой в случае туннельных диодов происходит скачок напряжения (время переключения ~1 нс), обусловлена главным образом чрезвычайно малой шириной р--n-перехода.

Характеристики (ВАХ) типичных туннельных диодов при прямом смещении

Туннельный диод 1И104:

а) вольтамперная характеристика при прямом смещении; б) конструкция туннельного диода

6. Области применения туннельных и обращенных диодов.

Наибольшее распространение на практике получили туннельные диоды из Ge, GaAs, а также из GaSb. В силу того что туннельные диоды в некотором интервале напряжений смещения имеют отрицательное дифференциальное сопротивление и обладают очень малой инерционностью, их применяют в качестве активных элементов в высокочастотных усилителях электрических колебаний, генераторах и переключающих устройствах., они работают на частотах, во много раз превышающих частоты работы тетродов, -- до 30-100 ГГц.

Обращенный диод - это туннельный диод без участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Высокая нелинейность вольтамперной характеристики при малых напряжениях вблизи нуля (зарядка микровольт) позволяет использовать этот диод для детектирования слабых сигналов в СВЧ-диапазоне.

Получение целевых продуктов путем электролиза позволяет сравнительно просто (регулируя силу тока) управлять скоростью и направленностью процесса, благодаря чему можно осуществлять процессы как в самых "мягких", так и в предельно "жестких" условиях окисления или восстановления, получая сильнейшие окислители и восстановители. Путем электролиза производят Н2 и О2 из воды, С12 из водных растворов NaCl, f 2 из расплава KF в KH2F3. Гидроэлектрометаллургия - важная отрасль металлургии цветных металлов (Си, Bi, Sb, Sn, Pb, Ni, Co, Cd, Zn); она применяется также для получения благородных и рассеянных металлов, Мп, Сг. Электролиз используют непосредственно для катодного выделения металла после того, как он переведен из руды в раствор, а раствор подвергнут очистке. Такой процесс называется электроэкстракцией. Электролиз применяют также для очистки металла - электролитического рафинирования (электрорафинирование). Этот процесс состоит в анодном растворении загрязненного металла и в последующем его катодном осаждении. Рафинирование и электроэкстракцию проводят с жидкими электродами из ртути и амальгам (амальгамная металлургия) и с электродами из твердых металлов.

Электролиз расплавов электролитов - важный способ производства многих металлов. Так, например, алюминий-сырец получают электролизом криолит-глиноземного расплава (Na3AlF6 + AI2O3), очистку сырца осуществляют электролитическим рафинированием. При этом анодом служит расплав А1, содержащий до 35% Си (для утяжеления) и потому находящийся на дне ванны электролизера. Средний жидкий слой ванны содержит ВаСЬ, A1F3 и NaF, а верхний - расплавленный рафинированный А1 и служит катодом.

Электролиз расплава хлорида магния или обезвоженного карналлита -наиболее, распространенный способ получения Mg. В промышленном, масштабе электролиз расплавов используют для получения щелочных и щелочноземельных металлов, Be, Ti, W, Mo, Zr, U и других К электролитическим способам получения металлов относят также восстановление ионов металла другим, более электроотрицательным металлом. Выделение металлов восстановлением их водородом также часто включает стадии электролизно-электрохимической. ионизации водорода и осаждение ионов металла, за счет освобождающихся при этом электронов. Важную роль играют процессы совместного выделения или растворения нескольких металлов, совместного выделения металлов и молекулярного водорода на катоде и адсорбции компонентов раствора на электродах. Электролиз используют для приготовления металлических порошков с заданными свойствами.

Другие важнейшие применения электролиза - гальванотехника, электросинтез, электрохимическая обработка металлов, защита от коррозии. Конструкция промышленных аппаратов для проведения электролитических процессов - электролизеров, определяется характером процесса, В гидрометаллургии и гальванотехнике используют преимущественно так называемые ящичные электролизеры, представляющие собой открытую емкость с электролитом, в которой размещают чередующиеся катоды и аноды, соединенные соответственно с отрицательными и положительными полюсами источника постоянного тока. Для изготовления анодов применяют графит, углеграфитовые материалы, платину, оксиды железа, свинца, никеля, свинец и его сплавы; используют малоизнашивающиеся титановые аноды с активным покрытием из смеси оксидов рутения и титана (оксидные рутениево-титановые аноды, или ОРТА), а также из платины и ее сплавов. Для катодов в большинстве электролизеров применяют сталь, в т. ч. с различными защитными покрытиями с учетом агрессивности электролита и продуктов электролиза, температуры и других условий процесса. Некоторые электролизеры работают в условиях высоких давлений, например, разложение воды ведется под давлением до 4 МПа; разрабатываются электролизеры и для более высоких давлений. В современных электролизерах широко применяют пластмассы, стекло и стеклопластики, керамику.

Во многих электрохимических производствах требуется разделение катодного и анодного пространств, которое осуществляют с помощью диафрагм, проницаемых для ионов, но затрудняющих механическое смешение и диффузию. При этом достигается разделение жидких и газообразных продуктов, образующихся на электродах или в объеме раствора, предотвращается участие исходных, промежуточных и конечных продуктов электролиза в реакциях на электроде противоположного знака и в приэлектродном пространстве. В пористых диафрагмах через микропоры переносятся как катионы, так и анионы в количествах, соответствующих числам переноса. В ионообменных диафрагмах (мембранах) происходит перенос либо только катионов, либо анионов, в зависимости от природы входящих в их состав ионогенных групп. При синтезе сильных окислителей используют обычно без-диафрагменные электролизеры, но в раствор электролита добавляют К2Сг207- В процессе электролиза на катоде образуется пористая хромит-хроматная пленка, выполняющая функции диафрагмы. При получении хлора используют катод в виде стальной сетки, на которую наносят слой асбеста, играющий роль диафрагмы. В процессе электролиза рассол подают в анодную камеру, а из анодной камеры выводят раствор NaOH.

Электролизер, применяемый для получения магния, алюминия, щелочных и щелочноземельных металлов, представляет собой футерованную огнеупорным материалом ванну, на дне которой находится расплавленный металл, служащий катодом, Аноды же в виде блоков располагают над слоем жидкого металла. В процессах мембранного получения хлора, в электросинтезе используют электролизеры фильтр-прессного типа, собранные из отдельных рам, между которыми помещены ионообменные мембраны.

По характеру подключения к источнику питания различают монополярные и биполярные электролизеры (см. рис. 2.1). Монополярный электролизер состоит из одной электролитической ячейки с электродами одной полярности, каждый из которых может состоять из нескольких элементов, включенных параллельно в цепь тока. Биполярный электролизер имеет большое число ячеек (до 100-160), включенных последовательно в цепь тока, причем каждый электрод, за исключением двух крайних, работает одной стороной как катод, а другой как анод. Монополярные электролизеры обычно рассчитаны на большой ток и малые напряжения, биполярные - на сравнительно небольшой ток и высокие напряжения. Современные электролизеры допускают высокую токовую нагрузку: монополярные до 400-500 кА, биполярные эквивалентную 1600 кА