Efecto zener
Efecto Zener , ruptura del túnel : el fenómeno de un fuerte aumento de la corriente a través de una unión pn con polarización inversa , debido al efecto del túnel , es decir, la "fuga" mecánica cuántica de electrones a través de una estrecha barrera potencial formada por la banda prohibida de un semiconductor Encuentra aplicación en diodos zener y una serie de otros dispositivos.
La esencia física del efecto
Con una polarización inversa de la transición, se produce una superposición de bandas de energía, en la que el borde de la banda de valencia de la región p se ubica en energía por encima del borde de la banda de conducción de la región n (ver figura), como como resultado, los electrones pueden pasar (túnel) desde la banda de valencia de la región p a la banda de conducción de la región n.
Para que la probabilidad de paso de electrones por túnel sea apreciable, es necesario un dopaje suficientemente fuerte de las regiones semiconductoras (para el silicio , alrededor de 10 17 cm -3 y más).
La probabilidad de transferencia de efecto túnel también depende en gran medida de la intensidad del campo eléctrico en la capa de unión empobrecida, por lo que la corriente aumentará rápidamente con el aumento del voltaje de la polaridad correspondiente ("+" en la región n) [1] .
Puede ser necesario limitar la corriente en los circuitos para evitar la destrucción de la muestra.
Electrodomésticos
El fenómeno de ruptura de túnel se utiliza en diodos zener . Los voltajes típicos a los que fluye una corriente de ruptura de trabajo a través del mecanismo Zener son varios voltios. Para esto, las concentraciones de impurezas donadoras y aceptoras de dopaje en las regiones de la unión pn se eligen en el rango de 10 17 -10 18 cm -3 .
A concentraciones más altas (10 18 -10 19 cm -3 ) el mecanismo de tunelización se activa incluso con voltajes inversos cercanos a cero. Por lo general, en este caso no se habla de "ruptura", sino simplemente de transporte de carga entre bandas. Sobre la base de estructuras con tales parámetros, anteriormente se fabricaban los llamados diodos invertidos para electrónica de microondas, pero ahora están fuera de uso.
A concentraciones límite (10 19 cm -3 y superiores), las regiones semiconductoras se degeneran . En este caso, la tunelización entre bandas se vuelve posible no solo en reversa, sino también en polarizaciones directas muy pequeñas, lo que conduce a la no monotonicidad de la curva de corriente-voltaje utilizada en los diodos de túnel .
Diferencia entre Zener y desglose de avalancha
La presencia de una sección de un fuerte aumento de la corriente en la característica inversa de la unión pn no siempre está asociada con la ruptura del túnel. Tal comportamiento también puede ser responsable de la descomposición por avalancha , en la que se produce una multiplicación por avalancha de portadores en la capa de unión empobrecida: electrones acelerados por un campo eléctrico a una energía suficiente para generar pares electrón-hueco, en colisiones con átomos de la red cristalina de un semiconductores, generan portadores de carga, y éstos, a su vez, durante la aceleración subsiguiente pueden provocar nuevos actos de generación.
El efecto Zener y el efecto avalancha pueden funcionar juntos, y surge la pregunta sobre el mecanismo dominante.
En uniones fuertemente dopadas, la ruptura se observa a voltajes por debajo de 5 V y se debe principalmente al efecto Zener. En uniones más levemente dopadas, con una sobretensión levemente superior a 5 V, la ruptura es causada por mecanismos tanto de avalancha como de tunelización. La ruptura a voltajes más altos es causada principalmente por el mecanismo de avalancha. El cambio en el mecanismo de descomposición depende del grosor de la capa empobrecida, que depende del grado de dopaje: cuanto más alto es, más estrecha es la capa empobrecida. Con el mecanismo del túnel, la intensidad del campo eléctrico alcanza los 3·10 6 V/cm.
El signo del coeficiente de temperatura de la tensión de ruptura depende del mecanismo de ruptura; en el caso de una ruptura por avalancha, la tensión de ruptura aumenta con el aumento de la temperatura; en una ruptura de túnel, un aumento de la temperatura reduce la tensión. A una tensión de ruptura de aproximadamente 5,6 V, ambos mecanismos de ruptura tienen lugar con una contribución aproximadamente igual a la corriente de unión, y la tensión de ruptura es prácticamente independiente de la temperatura.
Notas
- ↑ Características de descomposición de la unión PN . Circuitos hoy (25 de agosto de 2009). Consultado: 16 de agosto de 2011.