1-6隧道效應(yīng)與隧道電流當(dāng)p-n結(jié)兩邊都是重?fù)诫s，費米能級進(jìn)入導(dǎo)帶和價帶時，Esaki隧穿產(chǎn)生，可以因此制得隧道二極管。這種器件可以用作高速開關(guān)，或者用來產(chǎn)生高頻震蕩。1-6-1兩種摻雜的PN結(jié)1.常規(guī)摻雜濃度的PN結(jié)即符合肖克萊方程的I-V特性。2.重?fù)诫s的PN結(jié)1）隧道二極管2）反向二極管3.重?fù)诫s的作用使雜質(zhì)能級產(chǎn)生變化，在重?fù)诫s的條件下，雜質(zhì)能級展擴(kuò)成雜質(zhì)能帶。常以雜質(zhì)能級進(jìn)入半導(dǎo)體的導(dǎo)帶或價帶來表征。4.重?fù)诫s

N>1019/cm-31-6-2隧道效應(yīng)當(dāng)p-n結(jié)加反向偏壓時，勢壘區(qū)能帶發(fā)生傾斜，反偏壓越大，勢壘越高，勢壘區(qū)內(nèi)的電場越強(qiáng)，能帶越加傾斜，可以使N區(qū)的導(dǎo)帶底比P區(qū)的價帶頂還低，如圖6-23所示。當(dāng)半導(dǎo)體中的電場變得非常高時以致存在一定的幾率，即共價鍵中的電子會直接激發(fā)到導(dǎo)帶，此時可能會出現(xiàn)過大的漏電流。這個幾率的量子力學(xué)計算是由ClarenceZener進(jìn)行的。這種擊穿機(jī)制不需要載流子的加速和碰撞。因此僅在p+-n+結(jié)區(qū)觀察到，因為那里由于重?fù)诫s，空間電荷區(qū)非常窄，載流子沒有足夠的路程獲得足夠的能量進(jìn)行碰撞電離。在這些條件下，由于耗盡層非常簿，以致會發(fā)生隧道效應(yīng)。重?fù)诫s導(dǎo)致了隧道二極管的出現(xiàn)。1-6-3隧道二極管

隧道二極管是因為用含有大量雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體制作PN結(jié)時，會產(chǎn)生極薄的耗盡層，若加正向偏壓，則在達(dá)到擴(kuò)散電位之前，由于隧道效應(yīng)而發(fā)生電流流動。若接近擴(kuò)散電位，則為通常的二極管特性，所以如圖所示，在正向電壓低的范圍，顯示出負(fù)的電阻。隧道二極管的電壓電流特性

隧道二極管的優(yōu)點是開關(guān)特性好，速度快、工作頻率高；缺點是熱穩(wěn)定性較差。一般應(yīng)用于某些開關(guān)電路或高頻振蕩等電路中。

在簡并化的重?fù)诫s半導(dǎo)體中，n型半導(dǎo)體的費米能級進(jìn)入了導(dǎo)帶，p型半導(dǎo)體的費米能級進(jìn)入了價帶。兩者形成隧道結(jié)后，在沒有外加電壓，處于熱平衡狀態(tài)時，n區(qū)和p區(qū)的費米能級相等。

圖７

隧道電流隨外加電壓變化的情況

(1)隧道結(jié)未加電壓時的能帶圖如右圖所示。這時P區(qū)價帶和n區(qū)導(dǎo)帶雖然具有相同能量的量子態(tài)，但是n區(qū)和p區(qū)的費米能級相等，在結(jié)的兩邊，費米能級以下沒有空量子態(tài)，費米能級以上的量子態(tài)沒有電子占據(jù)，所以，隧道電流為零，對應(yīng)于特性曲線上的o點

(4)再增大正向電壓，勢壘高度進(jìn)一步降低，在結(jié)兩邊能量相同的量子態(tài)減少，使n區(qū)導(dǎo)帶中可能穿過隧道的電子數(shù)以及p區(qū)價帶中可能接受穿過隧道的電子的空量子態(tài)均減少，如右圖所示，這時隧道電流減小，出現(xiàn)負(fù)阻，如特性曲線上的點3

(5)正向偏壓增大到vv時，n區(qū)導(dǎo)帶底和p區(qū)價帶頂一樣高，如右圖所示，這時p區(qū)價帶和n區(qū)導(dǎo)帶中沒有能量相同的量子態(tài)，因此不能發(fā)生隧道穿通，隧道電流應(yīng)該減少到零，對應(yīng)于特性曲線上的點4。但實際上在vv時正向電流并不完全為零，而是有一個很小的谷值電流Ｉv.實驗證明，谷值電流基本上具有隧道電流的性質(zhì)。

(6)對硅、鍺p-n結(jié)來說，正向偏壓大于vv時，一般地擴(kuò)散電流就開始成為主要的，這時隧道結(jié)和一般p-n結(jié)的正向特性基本一樣；(7)加反向偏壓時，p區(qū)能帶相對n區(qū)能帶升高，如圖所示,p區(qū)中的價帶電子可以穿過隧道到n區(qū)導(dǎo)帶中，產(chǎn)生反向隧道電流。隨著反向偏壓的增加，p區(qū)價帶中可以穿過隧道的電子數(shù)大大增加，故反向電流也迅速增加，如特性曲線上的點5所示。

討論：（1）當(dāng)大到或勢壘寬度小到一定程度時，P區(qū)的價帶高于N區(qū)的導(dǎo)帶時，使P區(qū)價帶中大量的電子隧道穿過勢壘到達(dá)N區(qū)導(dǎo)帶，反向電流急劇增大，p-n結(jié)發(fā)生隧道擊穿。（2）在雜質(zhì)濃度N較低時，反向偏壓V大時，勢壘寬度增大，不利于隧道擊穿，