Модификации диода Есаки.

Степень легирования крайних зон ДЕ определяет, насколько открыты паразитные диоды при нуле входного напряжения. Для изменения величины

свобода есть только в перепаде потенциалов дополнительных переходов . Как изменится результирующая ВАХ диода? С уменьшением  кривая 2 на рис. 3 сдвигается вниз и влево, уменьшая пиковое значение тока. Горб на результирующей ВАХ уменьшается и может исчезнуть (рис. 38). Этот вариант ДЕ получил название обращенный диод, поскольку для малых напряжений прямая ветвь ВАХ может использоваться в качестве обратной.

Рисунок 38 - Вольтамперная характеристика обращенного диода.

Если наряду со снижением разности потенциалов дополнительного перехода выполнить его несколько более широким, паразитный диод  перестанет открываться и станет похожим на обычный, но только до некоторого значения обратного напряжения, называемого напряжением пробоя. Обратная ветвь такого диода сдвигается влево, как показано на рисунке 39.

Рисунок 39 – Вольтамперная характеристика стабилитрона.

Этот вид пробоя назван зенеровским (по другой транскрипции ценеровским) по имени немецкого физика Zener, впервые обнаружившего это явление.

Еще один очень интересный эффект использует принцип ДЕ – лавинный диод. В зенеровском пробое открывается нормальный диод дополнительного перехода, имеющего меньшую крутизну потенциалов (рис. ), чем основной переход. Если из диода Есаки исключить (или сильно уменьшить) дополнительное легирование краев канала и расширить зону перехода (теперь речь только об основном переходе), то образование паразитного диода  может происходить при очень больших напряжениях. В этом случае, как и в случае «туннельного диода» также появляется положительная обратная связь за счет малого (но уже заметного) обратного тока. Крутизна образовавшегося паразитного диода повышается и его ВАХ стремится занять положение, соответствующее меньшему напряжению в сравнении с напряжением пробоя (рис.40).

Рисунок 40

В результате, получилось физическое описание процессов, не прибегая к уловкам и не вводя туннельных и прочих эффектов. А названные типы полупроводниковых приборов относятся к одному классу – диодов Есаки.

Эффекты полупроводника

Тоннельный эффект.

Тоннельный эффект (открыт в 1958 году в Японии) проявляется на p-n переходе в вырожденных полупроводниках.

Вырожденный полупроводник – это полупроводник с очень высокой концентрацией донорной или акцепторной примеси. (Концентрация – 1024 атомов примеси на 1 куб. см. полупроводника).

В вырожденных полупроводниках очень тонкий p-n переход: его ширина составляет сотые доли микрона, а напряжённость внутреннего поля p-n перехода составляет Ep-n ≈ 108 B/м, что обеспечивает очень высокий потенциальный барьер. Основные носители заряда не могут преодолеть этот потенциальный барьер, но за счёт малой его ширины как бы механически пробивают в нём тоннели, через которые проходят другие носители зарядов. Следовательно, свойство односторонней проводимости на p-n переходе при тоннельном эффекте отсутствует, а ток через p-n переход будет иметь три составляющие:

I = Iт.пр. – Iт.обр. + Iпр.,

где Iт.пр. – прямой тоннельный ток, за счёт прохождения зарядов через тоннели при прямом включении;

Iт.обр. – обратный тоннельный ток, тот же самый, что и прямой, но при обратном включении;

Iпр. – прямой ток проводимости. Вызван носителями заряда, преодолевающими потенциальный барьер при относительно высоком прямом напряжении.

Вольтамперная характеристика p-n перехода при тоннельном эффекте будет иметь вид, изображённый на рисунке 41.

Рисунок 41

На участке АВ прямой тоннельный ток уменьшается за счёт снижения потенциального барьера и в точке В он становится равным нулю, а ток проводимости незначительно возрастает. За счёт этого общий ток на участке АВ уменьшается. Особенностью тоннельного эффекта является то, что на участке АВ характеристики имеет место отрицательное динамическое сопротивление.

Тоннельный эффект применяется в тоннельных диодах, которые используются в схемах генераторов гармонических колебаний и как маломощные бесконтактные переключающие устройства.

Эффект Гана

Эффект Гана проявляется в полупроводниках n-типа проводимости в сильных электрических полях.

Рисунок 42

Участок ОА – линейный участок, на котором соблюдается закон Ома. Участок АВ – при сравнительно больших напряжённостях электрического поля уменьшается подвижность электронов (показывает, как легко электроны проходят сквозь кристаллическую решётку проводника) за счёт увеличения амплитуд колебания атомов в узлах кристаллической решётки. И за счёт этого рост тока замедляется. Участок ВС – сильное уменьшение подвижности электронов, что приводит к уменьшению тока. Участок CD – при очень больших напряжённостях значительно увеличивается генерация носителей зарядов и, хотя подвижность электронов уменьшается, ток возрастает за счёт увеличения количества зарядов.

Сущность эффекта Гана состоит в том, что если в полупроводнике создать напряжённость электрического поля, большую Екр, но меньшую Епор, т. е. на участке ВС характеристики, то в полупроводнике возникнут электрические колебания сверхвысокой частоты (СВЧ).

Эффект Гана применяется в диодах Гана, которые используются как маломощные генераторы СВЧ.

Эффект Холла

Эффект Холла проявляется в полупроводниках n-типа проводимости с протекающими через них токами и помещёнными в магнитное поле.

Рисунок 43

На движущиеся электроны в полупроводнике будет действовать сила Лоренца F, под действием которой электроны будут отклоняться к дальнему краю пластинки (рис. 43), следовательно, там будет сгущение электронов, а около переднего края – недостаток их. Поэтому между этими краями возникнет ЭДС, которая называется ЭДС Холла. Эффект Холла применяется в магнитометрических датчиках.

Переход Шоттки

Образование перехода Шоттки.

Переход Шоттки возникает на границе раздела металла и полупроводника n-типа, причём металл должен иметь работу выхода электрона большую, чем полупроводник.

Рисунок 44

При контакте двух материалов с разной работой выхода электронов электрон проходит из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода, и ни при каких условиях - наоборот. Электроны из приграничного слоя полупроводника переходят в металл, а на их месте остаются некомпенсированные положительные заряды ионов донорной примеси.

В металле большое количество свободных электронов, и, следовательно, на границе металл-полупроводник возникает электрическое поле и потенциальный барьер. Возникшее поле будет тормозящим для электронов полупроводника и будет отбрасывать их от границы раздела. Граница раздела металла и полупроводника со слоем положительных зарядов ионов донорной примеси называется переходом Шоттки (открыт в 1934 году).