基本介紹
- 中文名：半導體中的隧道效應
- 外文名：Tunneling effect in semiconductors
可以把半導體（或絕緣體）中的電子遷移現象理解為在外電場下，束縛在一個原子中的電子，通過隧道穿透勢壘，到另一個原子中。不過，通常說的半導體中的隧道效應指的不是這種對原子勢場的量子隧道效應。而是指電子對半導體中巨觀勢壘的穿透，這個巨觀勢壘是半導體的禁帶造成的。C.曾訥在1934年最先提出，在外電場下，固體的能帶在空間上變成圖1所示的傾斜情況，價帶的電子可以穿過禁帶進入導帶。在禁帶中電子波函式指數衰減（波矢是複數的），就和穿過勢壘時相似；曾訥認為這是強場下半導體(或絕緣體)電擊穿的一種原因。但實驗表明，通常半導體電擊穿過程中，這種原因（稱曾訥擊穿）只起很次要的作用。只有在某些特殊類型的PN結的反向擊穿中，才有以曾訥擊穿為主的情況。這種類型的PN結稱曾訥二極體，或按其用途叫穩壓二極體。通常是矽二極體。1957年江崎玲於奈發明了隧道二極體。它是高摻雜半導體形成的窄的PN結；當它加上前向偏壓時，N區電子可以通過隧道效應，穿過禁帶進入P區中價帶的空狀態。隨所加的偏壓增大，開始時隧道電流變大（可以進入的空狀態增多）；隨後到達極大值然後逐漸下降（可以進入的空狀態減少），最後下降到零（可以進入的空狀態沒有了）。圖2是隧道二極體的伏安特性曲線，以及對應各部分的PN結能帶圖。隧道二極體正向伏安特性中有一段負阻區，而且它還是一種多數載流子效應，沒有渡越時間的限制，所以隧道二極體可用作低噪聲的放大器、振盪器或高速開關器件，頻率可達毫米波段。它作為器件的缺點是功率容量太小。隧道過程中，常常有電子－聲子相互作用或電子-雜質相互作用參加。從隧道二極體的伏安特性上可分析出參與隧道過程的某些聲子的頻率。在勢壘區中的光吸收或發射中，隧道效應也起著作用，這稱夫蘭克－凱爾德什效應。雜質的束縛電子態和能帶中電子態之間的隧道也觀察到。江崎玲於奈的發明開創了研究固體中隧道效應的新階段。因此，他和發現超導體中隧道現象的I.加埃沃、B.D.約瑟夫森一起獲得了1973年諾貝爾物理學獎。金屬半導體接觸勢壘（肖脫基勢壘）中的隧道現象也很有趣。1932年，A.H.威耳孫、Α.Ф.約飛和Я.И.夫倫克耳企圖用隧道電流來解釋肖脫基勢壘的整流效應，但發現所預言的整流方向是錯誤的。不過，近年來卻發現有些高摻雜的肖脫基勢壘在小的前向偏壓下，隧道電流是主要的電流機制。金屬－絕緣體－半導體系統中隧道效應的研究也是有意義的。
