Эффект Зенера

Вид вольт-амперных характеристик p-n перехода при разных степенях легирования. Масштаб токов для отрицательных значений сильно растянут для наглядности.

Эффе́кт Зе́нера, тунне́льный пробо́й — явление резкого нарастания тока через обратносмещённый p-n переход, обусловленное туннельным эффектом, то есть квантовомеханическим «просачиванием» электронов сквозь узкий потенциальный барьер, формируемый запрещённой зоной полупроводника.

Находит применение в стабилитронах и ряде других полупроводниковых приборов.

История

Назван в честь его первооткрывателя — американского физика Кларенса Зенера (1905–1993).

Физическая суть эффекта

Перекрытие энергетических зон обратносмещённого p-n перехода

При обратном смещении перехода возникает перекрытие энергетических зон, при котором край валентной зоны p-области $E_{vp}$ располагается по энергии выше края зоны проводимости n-области $E_{cn}$ (см. рисунок), вследствие чего электроны могут переходить (туннелировать) из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области.

Чтобы вероятность туннельного прохождения электронов была заметной, необходимо достаточно сильное легирование полупроводниковых областей (для кремния — около 10¹⁷ см^-3 и выше).

Вероятность туннельного переноса также сильно зависит от напряжённости электрического поля в обеднённом слое перехода, поэтому ток будет быстро увеличиваться с ростом напряжения соответствующей полярности («+» на n-области).

Может оказаться необходимым схемотехническое ограничение тока во избежание разрушения образца.

Применение в приборах

Явление туннельного пробоя используется в стабилитронах. Типичные напряжения, при которых протекает рабочий пробойный ток, обусловленный зенеровским механизмом, составляют несколько вольт. Для этого концентрации легирующих донорных и акцепторных примесей в областях p-n перехода выбираются в пределах 10¹⁷—10¹⁸ см^-3.

При более высоких концентрациях (10¹⁸—10¹⁹ см^-3) туннельный механизм активируется уже при близких к нулю обратных напряжениях. Обычно в таком случае говорят не о «пробое», а просто о межзонном транспорте заряда. На основе структур с такими параметрами ранее изготавливались так называемые обращённые диоды для СВЧ-электроники, но в настоящее время они вышли из употребления.

При предельных концентрациях (10¹⁹ см^-3 и выше) полупроводниковые области оказываются вырожденными. При этом межзонное туннелирование становится возможным не только при обратных, но и при очень малых прямых смещениях, что приводит к немонотонности вольт-амперной кривой, используемой в туннельных диодах.

Различие между зенеровским и лавинным пробоями

Наличие участка резкого роста тока на обратной характеристике p-n перехода не всегда связано именно с туннельным пробоем. За подобное поведение может также быть ответственен лавинный пробой, при котором происходит лавинное размножение носителей в обеднённом слое перехода: электроны, ускоренные электрическим полем до энергии, достаточной для генерации электронно-дырочных пар, при столкновениях с атомами кристаллической решётки полупроводника порождают носители заряда, а те, в свою очередь, при последующем ускорении могут вызвать новые акты генерации.

Вольт-амперные характеристики стабилитронов с преобладанием лавинного (слева) и туннельного (справа) механизмов пробоя.

Эффект Зенера и лавинный эффект могут работать совместно — и возникает вопрос о доминирующем механизме.

В сильнолегированных переходах пробой наблюдается при напряжении ниже 5 В и обусловлен в основном эффектом Зенера. В более слаболегированных переходах, с напряжением резкого нарастания тока немногим выше 5 В пробой вызван как лавинным, так и туннельным механизмами. Пробой при бо́льших напряжениях вызван, в основном, лавинным механизмом. Изменение механизма пробоя зависит от толщины обеднённого слоя, которая зависит от степени легирования: чем она выше, тем у́же обеднённый слой. При туннельном механизме напряжённость электрического поля в обеднённом слое достигает 3·10⁶ В/см.

От механизма пробоя зависит знак температурного коэффициента напряжения пробоя, при лавинном пробое — с увеличением температуры напряжения пробоя увеличивается, при туннельном пробое увеличение температуры снижает напряжение пробоя. При напряжении пробоя около 5,6 В имеют место оба механизма пробоя примерно с равным вкладом в ток перехода и напряжение пробоя практически не зависит от температуры.