Zener-Effekt - Wie steigt die Wahrscheinlichkeit des Tunnelns unter einer steigenden Potentialbarriere?

Aus Wikipedia (Grundlage meiner Vorlesungen):

Unter einer hohen Sperrvorspannung weitet sich der Verarmungsbereich des pn-Übergangs auf, was zu einem hochstarken elektrischen Feld über dem Übergang führt. Ausreichend starke elektrische Felder ermöglichen das Tunneln von Elektronen durch die Verarmungszone eines Halbleiters, was zu zahlreichen freien Ladungsträgern führt.

Ich würde erwarten, dass die Verbreiterung der Verarmungszone und die zunehmende potenzielle Barriere die Wahrscheinlichkeit des Tunnelns verringern und nicht erhöhen. Wie ist das Gegenteil möglich?

@annav Ich bin ein bisschen verwirrt von dem Artikel. Im letzten Teil (mit dem Titel "Tunneldioden-Charakteristik") über das Tunneln betrachtet der Autor den Fall der Durchlassspannung, aber meines Wissens wird der Zener-Effekt unter Sperrspannung beobachtet.
Der Zenereffekt ist kein Tunneleffekt in dem Sinne, dass Sie ihn mit einer potenziellen Barriere modellieren könnten, soweit ich den Artikel verstehe. auf dem Zenner, im Gegensatz zum Wiki-Artikel. Hoffen wir, dass sich ein Solid-State-Experte für eine Antwort entscheidet (Wiki-Artikel sind schließlich nicht das letzte Wort).
@annav Das ist ein weiterer Punkt, den ich verwirrend fand. Der erste Teil („Der Zener-Effekt“) mutet wie eine Erklärung des Lawineneffekts an, insbesondere der folgende Satz: „Elektronen, die sich unter dem Einfluss des angelegten elektrischen Feldes losreißen, können so stark beschleunigt werden, dass sie andere Elektronen losschlagen können und die nachfolgende Kollisionen werden schnell zur Lawine"
@annav Aber ich denke, du hast Recht, dass dies wenig mit dem Tunnelprozess zu tun hat, den man aus einführenden QM-Vorträgen / -Büchern kennt.

Antworten (1)

Ich glaube nicht, dass der Wikipedia-Artikel richtig ist. Die Verbreiterung verursacht kein Tunneln; die Verschiebung der Bänder tut. Vielleicht hilft diese Abbildung (auch aus Wikipedia):

Banddiagramm für Zener-Tunnelung

(Zener-Tunneling ist die Teilfigur ganz rechts.)

Tatsächlich habe ich noch nie von dieser Erweiterung gehört. Ich schätze, dass es passieren könnte, aber ich habe es noch nie in irgendwelchen Modellen des Zener-Tunnelns gesehen, also denke ich nicht, dass eine Verbreiterung wichtig ist, wenn es passiert.

Ich sollte hinzufügen, dass die Hyperphysik-Verbindung den Zener-Effekt und den Lawinendurchbruch verschmilzt . Die beiden sind unterschiedliche Dinge, obwohl sie einen ähnlichen Effekt haben und im selben Gerät auftreten können. (Tatsächlich verlassen sich viele "Zener"-Dioden, die Sie bei Elektroniklieferanten kaufen können, nicht wirklich auf Zener-Tunnelung; sie verwenden einen Lawinendurchbruch.) Zener-Tunnelung ist tatsächlich Quantentunnelung.

Ich werde den Wikipedia-Artikel bei Gelegenheit bearbeiten (was eine Weile dauern kann). Die zitierte Referenz ist nicht mehr verfügbar, und die archivierten Versionen (verfügbar über archive.org) sagen nichts über die Erweiterung aus.
Danke schön! Soweit ich weiß, wird der Zener-Effekt durch Elektronen verursacht, die sich vom Valenzband auf der p-Seite zum Leitungsband auf der n-Seite bewegen (das ist sinnvoll, weil dies zum Driftstrom beiträgt). In der Teilfigur ganz rechts ist das Valenzband auf der p-Seite jedoch höher als das Leitungsband auf der n-Seite. In diesem Fall sehe ich keinen Sinn darin, dies als Tunnelprozess zu bezeichnen.
Ich frage mich, ob es nicht besser wäre, die Teilfigur in der Mitte "unbiased", die linke Teilfigur "Sperrspannung, Zenerspannung" (die Zenerspannung ist die Spannung, bei der der Zenereffekt einsetzt) ​​und die rechte "starke Sperrspannung" zu nennen ". Wenn wir uns in diesem Fall die Teilfigur in der Mitte ansehen, können wir uns vorstellen, die rechte Hälfte anzuheben, bis das Valenzband auf der p-Seite nahe genug (aber immer noch unter) dem Leitungsband auf der n-Seite liegt, damit das Tunneln beginnen kann .
Es ist Tunneln, weil die Bandlücke eine "verbotene" Region ist; Elektronen sollten niemals in der Lücke sein – ähnlich wie man klassischerweise niemals erwarten würde, Elektronen in einer Potentialbarriere zu sehen. Tatsächlich können Sie das Zener-Tunneln ziemlich gut modellieren, indem Sie es als Tunneln durch eine trapezförmige Barriere behandeln. Die Abbildung in der Mitte ist nicht unverzerrt, da das Fermi-Niveau nicht durch die Struktur hindurch konstant ist. (Ein konstantes Fermi-Niveau ist im Grunde die Definition von unverzerrt.)
Danke schön! „Tatsächlich kann man das Zener-Tunneln ganz gut modellieren, indem man es als Tunneln durch eine trapezförmige Barriere behandelt.“ Meinen Sie damit, die Schrödinger-Gleichung für ein trapezförmiges Potential zu lösen?
Ja genau. Sie können es sogar als Tunnel durch eine rechteckige Barriere behandeln, um die Dinge noch einfacher zu halten. Wenn Sie eine Referenz wünschen, können Sie JM Zimans "Principles of the Theory of Solids" 2. Auflage, Abschnitt 6.8 (Titel "Zener Breakdown: Tunneling") lesen. Ich bin mir sicher, dass einige andere Lehrbücher der Festkörperphysik dies behandeln, aber Sie finden es eher in Büchern über Gerätephysik, die sich an Elektroingenieure richten.
Interessant! Und vielen Dank für den Hinweis, ich werde mich darum kümmern.
Zener-Effekt - Wie steigt die Wahrscheinlichkeit des Tunnelns unter einer steigenden Potentialbarriere?
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