Коэффициенты прохождения и отражения микрочастицы через барьер по законам квантовой механики. Роль туннельного эффекта в электронике. Энергетическая схема контакта металлов. Прохождение электронов в диэлектрическом слое. Процессы в туннельном диоде.
Аннотация к работе
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ТУННЕЛИРОВАНИЕ В МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ по курсу: Физико-химические основы микроэлектроники и технологии РЭС и ЭВСПо классическим представлениям движение частицы будет таким: Актуально, если: - если энергия частицы будет больше высоты барьера (E>U0), то частица беспрепятственно проходит над барьером; если же энергия частицы будет меньше высоты барьера, то частица отражается и летит в обратную сторону; 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.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 = 0К) находится выше, чем EF2 в М2, соответствующие работы выхода А1<А2. 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: Этот процесс будет происходить до тех пор, пока уровни Ферми в М1 и М2 не установятся на одной высоте. 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. Между металлами устанавливается равновесие, которому отвечает контактная разность потенциалов: Величина контактной разности потенциалов составляет от десятых долей вольта до нескольких вольт, но при этом изза большой концентрации носителей заряда в металлах в создании Vk участвуют всего около одного процента электронов, находящихся на поверхности металла.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. Вольтамперная характеристика системы при малых напряжениях имеет вид: И при больших напряжениях (qu> EF): Из полученных выражений видно, что при малых напряжениях характеристика линейна, а при увеличении напряжения ток резко возрастает. 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. 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).Туннельный ток возникает и между двумя сверхпроводниками, разделенными тонкой пленкой. Если сверхпроводящую структуру включить в цепь постоянного тока, то через контакт будет протекать ток, однако падение напряжения на контакте будет равно нулю. Этот эффект объясняется тем, что через пленку туннелируют куперовские пары. Имеется некоторое критическое значение тока - при токах, больших критического значения, происходит скачкообразный переход на ветвь туннелирования обычных электронов. Если через контакт пропустить постоянный ток I0>Ikp, то на переходе появится напряжение U0, а во внешней цепи наряду с постоянным током появится переменный ток высокой частоты.Из теории поглощения света полупроводниками известно, что если при поглощении полупроводником кванта излучения имеет место возбуждение электронов из валентной зоны в зону проводимости, то такое поглощение называется собственным или фундаментальным. Для возбуждения собственных переходов необходимо, чтобы энергия светового кванта была больше или равна ширины запрещенной зоны полупроводника: Если полупроводник поместить в электрическое поле, то согласно зонной теории полупроводника, произойдет наклон энергетических зон полупроводника. Высота этого барьера равна ширине запрещенной зоны Eg, а его толщина d характеризуется выражением: Как видно, с увеличением величины электрического поля толщина барьера уменьшается, а, следовательно, исходя из формулы, где d = l, увеличивается вероятность туннелирования.Процессы в туннельном диоде удобно рассматривать на энергетических диаграммах, показывающих уровни энергии валентной зоны и зоны проводимости в n-и р-областях.