Zenerův efekt
Zenerův jev , průraz tunelu - jev prudkého nárůstu proudu přes reverzně vychýlený pn přechod v důsledku tunelového efektu , tj. kvantově mechanického „úniku“ elektronů úzkou potenciálovou bariérou tvořenou zakázaným pásmem polovodič. Uplatnění nachází v zenerových diodách a řadě dalších zařízení.
Fyzikální podstata efektu
Při zpětném vychýlení přechodu dochází k překrytí energetických pásem, při kterém se okraj valenčního pásu p-oblasti nachází v energii nad okrajem vodivostního pásu n-oblasti (viz obrázek), jako výsledkem čehož mohou elektrony procházet (tunelovat) z valenčního pásu p-oblasti do vodivostního pásu n-oblasti.
Aby byla pravděpodobnost průchodu elektronů tunelem znatelná, je nutné dostatečně silné dotování polovodičových oblastí (u křemíku cca 10 17 cm -3 a více).
Pravděpodobnost tunelového přenosu je také vysoce závislá na intenzitě elektrického pole v ochuzené vrstvě přechodu, takže proud bude rychle narůstat s rostoucím napětím odpovídající polarity („+“ na n-oblasti) [1] .
Může být nutné omezit proud v obvodech, aby se zabránilo zničení vzorku.
Spotřebiče
Jev tunelového průrazu se používá u zenerových diod . Typická napětí, při kterých protéká Zenerovým mechanismem pracovní průrazný proud, jsou několik voltů. K tomu se volí koncentrace dopingových donorových a akceptorových nečistot v oblastech pn přechodu v rozmezí 1017-1018 cm - 3 .
Při vyšších koncentracích (10 18 -10 19 cm -3 ) se tunelovací mechanismus aktivuje i při zpětných napětích blízkých nule. Obvykle se v tomto případě nemluví o "zhroucení", ale jednoduše o mezipásmovém přenosu náboje. Na základě struktur s takovými parametry se dříve vyráběly tzv. invertované diody pro mikrovlnnou elektroniku, které se však již nepoužívají.
Při limitních koncentracích (10 19 cm -3 a více) jsou polovodičové oblasti degenerované . V tomto případě je mezipásmové tunelování možné nejen při zpětném chodu, ale také při velmi malých dopředných předpětích, což vede k nemonotonicitě křivky proud-napětí používané v tunelových diodách .
Rozdíl mezi Zenerovým a lavinovým rozpadem
Přítomnost úseku prudkého nárůstu proudu na inverzní charakteristice pn přechodu není vždy spojena s průrazem tunelu. Takové chování může být také zodpovědné za lavinový rozpad , při kterém dochází k lavinovému množení nosičů ve vyčerpané spojovací vrstvě: elektrony urychlené elektrickým polem na energii dostatečnou k vytvoření párů elektron-díra, při srážkách s atomy krystalové mřížky a polovodiče, generují nosiče náboje, a ty zase při následné akceleraci mohou způsobit nové generační akty.
Zenerův efekt a lavinový efekt mohou fungovat společně – a nabízí se otázka o dominantním mechanismu.
V silně dotovaných spojích je pozorován průraz při napětí pod 5 V a je způsoben hlavně Zenerovým jevem. V mírně dotovaných křižovatkách s rázovým napětím mírně nad 5 V je průraz způsoben jak lavinovým, tak tunelovým mechanismem. Poruchy při vyšších napětích jsou způsobeny především lavinovým mechanismem. Změna mechanismu rozpadu závisí na tloušťce ochuzené vrstvy, která závisí na stupni dotování: čím je vyšší, tím je ochuzená vrstva užší. S tunelovým mechanismem dosahuje intenzita elektrického pole 3·10 6 V/cm.
Znaménko teplotního koeficientu průrazného napětí závisí na průrazném mechanismu, při průrazu laviny průrazné napětí roste s nárůstem teploty, při průrazu tunelu zvýšením teploty napětí snižuje. Při průrazném napětí asi 5,6 V probíhají oba průrazné mechanismy s přibližně stejným příspěvkem k přechodovému proudu a průrazné napětí je prakticky nezávislé na teplotě.
Poznámky
- ↑ Průrazné charakteristiky PN přechodu . Okruhy dnes (25. srpna 2009). Staženo: 16. srpna 2011.