Туннелирование электронов

Туннельные диоды. Для изготовления туннельных диодов используют полупроводники с большим содержанием примесей — до 1021 атомов примеси на 1 см3. Ширина п—р-перехода в туннельных диодах на два-три порядка меньше, чем в обычных диодах. Это приводит к тому, что на п—р-переходе действует сильное запирающее электрическое поле с напряженностью до 10е В/см. При этом на п—р-переходе наблюдается туннельный эффект, обусловленный волновой природой электронов — чем меньше энергия электрона, тем большей длиной волны он обладает. Это приводит к тому, что электроны малых энергий относительно легко огибают запертый п—р-переход. Вероятность туннельного прохождения возрастает с уменьшением ширины перехода и увеличением напряженности электрического запирающего поля.

реход. В таких переходах возникают условия для относительно свободного туннельного прохождения электронов через потенциальный барьер (туннельный эффект). Вероятность этого процесса возрастает при увеличении напряженности электрического поля в области перехода.

с неширокой запрещенной зоной. В § 9-3 было показано, что в сильных электрических полях границы энергетических зон смещаются и вблизи границы может образоваться достаточно тонкий потенциальный барьер, вероятность туннельного прохождения частиц через который определяется выражением (9-8)

Электрический пробой может возникнуть вследствие ударной ионизации атомов полупроводника и лавинообразного размножения носителей или туннельного прохождения электронов через тонкий потенциальный барьер на переходе.

Таким образом, основные усилия по разработке ПАЭ направлены на возможность применения различных механизмов переноса носителей заряда в тонких поликри-v сталлических пленках. В зависимости от преобладания того или иного механизма в ПАЭ могут быть использованы токи за счет надбарьерной эмиссии, токи за счет туннельного прохождения электронов, токи, ограниченные пространственным зарядом, и другие эффекты. -Для ослабления явления тепловой генерации носителей в качестве материала пленки выбирают обычно полупровод-

В туннельных диодах используется возможность туннельного прохождения электронов через достаточно тонкие диэлектрические плевки. Если высота потенциального барьера превышает энергию электрона, то в отличие от классической частицы электрон имеет конечную вероятность его преодоления. Эта вероятность тем больше, чем больше прозрачность барьера. Последняя увеличивается с повышением энергии электрона (приложенного к диоду прямого напряжения) и уменьшением ширины барьера (толщины пленки). Существенно отметить, что с повышением напряжения на диоде ширина барьера уменьшается (при неизменной толщине пленки) вследствие относительного смещения энергетических уровней в металлах электродов.

В очень узком р-п переходе при высокой напряженности поля возникают условия для беспрепятственного туннельного прохождения электронов из одного слоя в другой сквозь потенциальный барьер. Однако для этого необходимо, чтобы против занятого электроном уровня по одну сторону барьера имелся свободный уровень за барьером. При отсутствии внешнего напряжения (U =0 на 3.11, а) такой возможности фактически нет, так как занятым уровням в зоне проводимости полупроводника я-типа противостоят занятые уровни в валентной зоне полупроводника /7-типа1.

с неширокой запрещенной зоной. В § 9-3 было показано, что в сильных электрических полях границы энергетических зон смещаются и вблизи границы может образоваться достаточно тонкий потенциальный барьер, вероятность туннельного прохождения частиц через который определяется выражением (9-8)

Таким образом, основные усилия по разработке ПАЭ направлены на возможность применения различных механизмов переноса носителей заряда в тонких поликри-v сталлических пленках. В зависимости от преобладания того или иного механизма в ПАЭ могут быть использованы токи за счет надбарьерной эмиссии, токи за счет туннельного прохождения электронов, токи, ограниченные пространственным зарядом, и другие эффекты. -Для ослабления явления тепловой генерации носителей в качестве материала пленки выбирают обычно полупровод-

В туннельных диодах используется возможность туннельного прохождения электронов через достаточно тонкие диэлектрические плевки. Если высота потенциального барьера превышает энергию электрона, то в отличие от классической частицы электрон имеет конечную вероятность его преодоления. Эта вероятность тем больше, чем больше прозрачность барьера. Последняя увеличивается с повышением энергии электрона (приложенного к диоду прямого напряжения) и уменьшением ширины барьера (толщины пленки). Существенно отметить, что с повышением напряжения на диоде ширина барьера уменьшается (при неизменной толщине пленки) вследствие относительного смещения энергетических уровней в металлах электродов.

— за счет туннельного прохождения электронов сквозь тонкие диэлектрические и полупроводниковые пленки;

На 4.1, е приведена модель туннелиро вания из электронов металла в вакуум сквозь остроугольный потенциальный барьер, образуемый при наличии над поверхностью тела достаточно большого электрического поля. В этом случае толщина барьера будет уменьшаться с ростом напряжения поля, а его прозрачность —возрастать, ив результате появится ток туннельной эмиссии. Туннелирование электронов из металла в вакуум называется автоэлектронной эмиссией. Прозрачность потенциального барьера и плотность тока автоэлектронной эмиссии можно определить при следующих допущениях:

Одним из проявлений квантовых размерных эффектов является резонансное туннелирование электронов сквозь тонкую диэлектрическую пленку в системе полупроводник — диэлектрик — полупроводник ( 4.8, д).

Для стирания можно использовать туннелирование электронов с плавающего затвора в окисел вверх и последующий их дрейф на управляющий затвор. Для этого на стоке напряжение должно быть нулевым, а на управляющем затворе высоким (30...35 В), что существенно больше, чем при программировании (20 В). Иначе в процессе программирования возможно нежелательное стирание в невыбранных элементах. Туннельный ток существен.го зависит от напряжения на управляющем затворе, изменяясь на порядок при изменении t/3 на 1 В. Для указанных напряжений при программировании он на много порядков меньше, чем при стирании, и не влияет на работу схемы.

Элементы ЭСППЗУ, программируемые с помощью туннельного эффекта. На 9.14 показана структура, а на 9.15 — эквивалентная схема элемента памяти. Левая часть структуры образует би-стабильный транзистор (/ — исток, 2—сток, 3—управляющий затвор, совмещенный с шиной программирования строки Хирог, 4 — плавающий затвор). Слой диоксида 5, отделяющий сток 2 от затвора 4, имеет очень малую толщину—порядка 10 нм (туннельно-тонкий диоксид). При программировании на шину Хпрог выбранной строки подают высокое напряжение (20 В). Если на плавающий затвор надо ввести заряд (запрограммировать лог. 1), то на стоке следует установить нулевое напряжение. Тогда происходит туннелирование электронов из стока в слой 5 и их дрейф на плавающий затвор. Если же не надо вводить заряд, то на стоке устанавливают такое же напряжение, как и на управляющем затворе. Для стирания (удаления заряда) на управляющий затвор необходимо подать нулевое напряжение, а на сток — высокое. Тогда электроны совершают обратный переход с плавающего затвора в сток. Таким образом, программирование и стирание идут с одинаковой скоростью. Эти процессы отличаются только знаком напряженности электрического поля в слое 5 и направлением движения электронов.

Для удаления электронов с плавающего затвора при стирании используют туннелирование вверх и дрейф электронов на управляющий затвор. В обоих режимах программирования и стирания на управляющий затвор (шину Х„рог) подают высокое напряжение 10...20 В. Чтобы при программировании не было перехода электронов с плавающего затвора на управляющий, а при стирании — с электрода / на плавающий затвор, между плавающим затвором и специальной управляющей шиной Кпрог создают конденсатор связи ССв. При программировании ( 9.16, и) на Гпрог подают положительное напряжение Ue, дополнительно повышающее потенциал плавающего затвора. Разность потенциалов между ним и управляющим затвором получается малой, и туннелирование с плавающего затвора вверх отсутствует. При стирании ( 9.16, б) на управляющей шине Кпрог устанавливают нулевое напряжение, понижающее потенциал плавающего затвора. В результате разность потенциалов между затворами 3 и 2 получается высокой и идет интенсивное туннелирование электронов с затвора 2 вверх. В то же время разность потенциалов между электродами 2 и / мала и туннелирование с электрода / отсутствует.

Туннельным пробоем /7-м-перехода называют электрический пробой перехода, вызванный квантово-механическим туннелирова-нием носителей заряда сквозь запрещенную зону полупроводника без изменения их энергии (см. 1.12). Туннелирование электронов возможно при условии, если ширина потенциального барьера А, который необходимо преодолеть электронам, достаточно мала. При одной и той же ширине запрещенной зоны (для одного и того же материала) ширина потенци- ,

В диоде без внешнего напряжения существует туннелирование электронов из га-области в р-область и обратно. Встречные потоки электронов равны, поэтому суммарный ток через диод равен нулю ( 3.60, а).

При небольшом прямом напряжении на туннельном диоде происходит уменьшение высоты потенциального барьера р-га-пе-рехода или смещение энергетической диаграммы «-области относительно энергетической диаграммы р-области. Свободные энергетические уровни р-области (занятые дырками), расположенные непосредственно над уровнем Ферми, оказываются на одной высоте по энергетической диаграмме или при одних и тех же значениях с энергетическими уровнями га-области, занятыми электронами ( 3.60,6). Поэтому будет происходить преимущественное туннелирование электронов из га-области в р-область.

Обратная ветвь ВАХ обращенного диода аналогична обратной ветви ВАХ туннельного диода, так как при обратных напряжениях происходит туннелирование электронов из валентной зоны р-об-ласти в зону проводимости я-области. Поэтому обратные токи в

Нелинейность ВАХ варисторов ( 11.1) обусловлена явлениями на точечных контактах между кристаллами карбида кремния. При малых напряжениях на варисторе может происходить туннелирование электронов сквозь тонкие потенциальные барьеры, существующие на поверхности кристаллов карбида кремния.

Обратное напряжение на переходе увеличивает перекрытие зон б?, т.е. qU0up = E$p — ?ф „. Энергетическая диаграмма перехода для этого случая приведена на 3.18,6. Напротив занятых электронами уровней в зоне проводимости «-области находятся занятые энергетические уровня валентной зоны р-области, и туннелирование электронов из «- в р-область маловероятно. Соответственно напротив занятых электронами уровней р-области оказываются свободные изоэнергетические уровни зоны проводимости «-области. Следовательно, происходит туннелирование электронов из р- в «-область а через диод протекает обратный ток /обр.тун ( 3.18,5). При увеличении Uo6p число перекрывающихся свободных в «-области и занятых в р-области уровней растет, повышается число электронов, которые могут туннелировать через переход, обратный ток диода резко подскакивает.