Описание туннельного эффекта. Проявление его в неоднородных структурах и использование в устройствах микроэлектроники. Механизм прохождения электронов сквозь плёнку диэлектрика. Токоперенос в тонких плёнках. Эффекты Джозефсона и Франца-Келдышева.
Аннотация к работе
БЕЛАРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОННИКИ КУРСОВАЯ РАБОТА по курсу: «Физико-химические основы микроэлектроники и технологии РЭС и ЭВС» на тему: «ТУННЕЛИРОВАНИЕ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ»если энергия частицы будет больше высоты барьера (E>U0), то частица беспрепятственно проходит над барьером; сквозь барьер частица проникнуть не может. Во-первых, даже при E>U0 имеется отличная от нуля вероятность того, что частица отразится от потенциального барьера и полетит обратно. Во-вторых, при E<U0 имеется вероятность того, что частица проникнет «сквозь» барьер и окажется в области III. Слагаемое соответствует волне, распространяющейся в области I в направлении оси х, А1-амплитуда этой волны.Вследствие того, что уровень Ферми EF1 в М1 (уровень Ферми это то значение энергии уровня, выше которого значения энергии электрон принимать не может при Т=0 К) находится выше, чем EF2 в М2, соответствующие работы выхода А1<А2. При Т=0 К электроны за счет туннелирования будут переходить из М1 в М2, так как напротив заполненных уровней в М1 будут находиться свободные уровни в М2. Электрон, переходящий из М1 в М2, переносит заряд-q, создавая разность потенциалов на контакте-V. Работа, совершаемая электронами по преодолению энергетического барьера-QV, переходит в потенциальную энергию электронов, в результате чего все энергетические уровни в М1 опускаются, а в М2 подымаются (рис. При этом потенциальный барьер для электронов, движущихся слева направо, станет равным потенциальному барьеру для электронов, движущихся из М2 в М1, и поток n12 станет равным n21.Туннельный механизм прохождения электронов сквозь тонкие диэлектрические слои может проявляться и быть преобладающим при малой концентрации носителей тока в пленке диэлектрика, сравнительно высоких барьерах на поверхности диэлектрика, низких температурах и достаточно малых, толщинах пленки. Составляющие этой разности определяют интегрированием произведения концентрации электронов в электродах на прозрачность барьера по всем значениям энергии электронов. Полученное таким образом уравнение для туннельного тока имеет вид: , (2.2.1) где n1(Е) и n2(Е)-концентрации электронов с энергиями от Е до Е DE в первом и втором электродах соответственно; D(Е, py, pz)-вероятность проникновения электрона с энергией Е сквозь потенциальный барьер (прозрачность барьера), h-постоянная Планка, ру, pz,-компоненты импульса электрона в плоскости, параллельной плоскости пленки. Поэтому детальный расчет вольтамперной характеристики должен производиться с учетом сил изображения, различия эффективных масс носителей заряда в металле и диэлектрике, а также с учетом пространственного заряда электронов, туннелировавших из металла в зону проводимости диэлектрика, и электронов, попавших на ловушки в диэлектрике. При дальнейшем увеличении напряжения туннельный ток ограничивается пространственным зарядом в диэлектрике.Механизм токопереноса в тонких пленках объясняется либо надбарьерной эмиссией, либо туннелированием через вакуумный зазор, либо туннелированием через ловушки в диэлектрической подложке. Если расстояние между зернами пленки лежит в пределах 1…5 нм (зерно - это область в пленке, где структура кристаллографической решетки симметрична), то для типичного значения работы выхода от 2 до 6 ЭВ при температурах, не превышающих 300 К, преобладающим механизмом токопереноса будет туннелирование. Поэтому, когда электрон переходит из одного зерна в другое, энергия его остается прежней (электрон переходит с энергетического уровня первого зерна на энергетический уровень второго, расположенный на такой же высоте). Такой переход возможен, если в зернах есть свободные энергетические уровни с соответствующей энергией и, кроме того, в одном из зерен на этих уровнях имеются электроны (рис. Уровень Ферми первого зерна смещается относительно уровня Ферми второго на величину , где u - приложенное напряжение.Пробоем называют резкое увеличение тока через переход в области обратных напряжений, превышающих напряжение, называемое напряжением пробоя. Туннельный пробой связан с туннельным эффектом - переходом электронов сквозь потенциальный барьер без изменения энергии. Туннельный пробой наблюдается только при очень малой толщине барьера - порядка 10 нм, то есть в переходах между сильнолегированными p-и n-областями (порядка 1018 см-3). На рис.2.4.1 показана энергетическая диаграмма p-n-перехода при обратном напряжении, стрелкой обозначено направление туннельного перехода электрона из валентной зоны р-области в зону проводимости n-области. Туннельные переходы возможны для электронов, энергия которых соответствует интервалу туннелирования ?ЕТУН, в котором по обе стороны расположены разрешенные уровни энергии.2.5.1) включить в цепь постоянного тока, то через контакт будет протекать ток, однако падение напряжения на контакте будет равно нулю. Имеется некоторое критическое значение тока - при токах, больших критического значения, происходит скачкообразный переход на ветвь туннелирования обычных электронов.
План
Содержание
1. Туннельный эффект
2. Проявление в неоднородных структурах, использование в устройствах микроэлектроники