Пробой Зинера. Автоэлектронная эмиссия

В твёрдом теле возможно туннелирование электронов через макроскопический потенциальный барьер, связанный с запрещённой зоной. В 1934 г. Зинер предложил идею межзонного туннелирования электронов из валентной зоны в зону проводимости под действием электрического поля . Ширина соответствующего потенциального барьера (). Однако реально электрическое поле напряженностью не достигает величины, необходимой для туннелирования электронов и создания условий для электрического пробоя диэлектрика. До туннелирования, как правило, начинаются явления, обусловленные ускоренными электрическим полем электронами и связанные с ударной ионизацией атомов диэлектрика, лавинными процессами размножения свободных электронов и т.п.

Межзонное туннелирование можно наблюдать в области сильного «встроенного» поля в узких () полупроводниковых переходах при высокой концентрации примесей (до ). Электрическое поле в таком переходе достигает и эффективно влияет на относительное положение краёв валентной зоны и зоны проводимости контактирующих полупроводников. Данный туннельный эффект используется в работе так называемых туннельных диодов, изобретённых в 1957 г. Л. Эсаки.

Вольтамперная характеристика туннельного диода приведена на рисунке 12.6. Она имеет падающий участок 1-2, где величина тока уменьшается с ростом напряжения . Если на диоде поддерживается напряжение <<, то он работает как активный элемент, с помощью которого возможна генерация колебаний в микроволновом диапазоне.

Рис. 11.2 Вольтамперная характеристика туннельного диода

Поглощение или испускание фонона (кванта колебательного движения кристаллической решетки), которое происходит в области туннельного перехода, резко меняет энергию туннелирующего электрона, а следовательно, и туннельный ток. Провалы и всплески на вольтамперной характеристике при , где - частота фонона, позволяет измерить энергию фононов и судить о величине электрон-фононного взаимодействия. В этом случае говорят о процессе неупругого туннелирования.

В 1922 г. Было открыто явление автоэлектронной (холодной) эмиссии электронов под действием сильного внешнего электростатического поля. Как известно, на границе металл – вакуум имеется потенциальная стенка, не позволяющая электрону покидать металл. Он может это сделать, лишь приобретя дополнительную энергию, равную работе выхода . Если сделать металл отрицательной пластиной конденсатора, приложив достаточно мощное электрическое поле , то потенциальная энергия электрона вне металла будет уменьшаться, а толщина потенциального барьера становится порядка . В результате возникает туннельный ток электронов из металла в вакуум, плотность которого описывается формулой Фаулера-Кордгейма