Моделювання ВАХ-характеристик тунельних діодів з урахуванням фотоструму та фононних процесів
Анотація
У цій статті розроблено єдину модель струму для тунельних діодів. Модель враховує не лише тунельний, дифузійний та надлишковий струми, але й фотострум, що генерується під час освітлення. Крім того, включено процеси тунелювання за допомогою фононів, а саме поглинання фононів та емісію фононів, що виникають внаслідок електрон-фононної взаємодії. Розраховані вольт-амперні характеристики показують, що загальний струм зміщується вниз під впливом освітлення. Показано, що фотострум зростає пропорційно оптичній інтенсивності та довжині хвилі. У випадку поглинання фононів електрони отримують додаткову енергію, тунельний канал розширюється, а піковий струм збільшується приблизно на 15–20%. І навпаки, під час емісії фононів частина енергії електронів втрачається, що зменшує ймовірність тунелювання, а піковий струм зменшується приблизно на 10–12%. Отримані результати показують, що врахування фононних та фотонних процесів значно розширює потенціал застосування тунельних діодів в оптоелектронних та фотодетекторних пристроях. Запропонована модель забезпечує теоретичну основу для розробки тунельних діодів як високочастотних, світлочутливих та енергоефективних пристроїв.
Завантаження
Посилання
S.M. Sze, and K.K. Ng, Physics of Semiconductor Devices, (John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2007). 3, 418 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/9780470068328.fmatter
E.O. Kane, “Zener tunneling in semiconductors,” Journal of Physics and Chemistry of Solids 12, 181188 (1960). https://doi.org/10.1016/0022-3697(60)90035-4
I. Shalish, “Franz-Keldysh effect in semiconductor built-in fields: Doping concentration and space charge region characterization,” Journal of applied physics, 124, 075102 (2018). https://doi.org/10.1063/1.5038800
J.S. Karlovsky, “Simple Method for Calculating the Tunneling Current of an Esaki Diode,” Phys. Rev. 127, 419 (1962). https://doi.org/10.1103/PhysRev.127.419
A.G. Chynoweth, W.L. Feldman, and R.A. Logan, “Excess Tunnel Current in Silicon Esaki Junctions,” Phys. Rev. 121, 684 (1961). https://doi.org/10.1103/PhysRev.121.684
P.K. Tien, and J.P. Gordon, “Multiphoton Process Observed in the Interaction of Microwave Fields with the Tunneling between Superconductor Films,” Physical Review, 129(2), 647–651 (1963). https://doi.org/10.1103/PhysRev.129.647
J.R. Tucker, “Quantum tunneling in electron devices,” IEEE Journal of Quantum Electronics, 15(11), 1234-1252 (1979). https://doi.org/10.1109/jqe.1979.1069931
G. Gulyamov, and G. N. Majidova, “Influence of electron and phonon heating on the characteristics of solar photocells,” Romanian Journal of Physics, 68(3–4), 607 (2023).
X. Liu, Q. Wang, L. Zhang, et al., “Analytical evaluation of tunneling current density in nonparabolic semiconductors,” Physica Scripta, 100(4), 045503 (2025). https://doi.org/10.1088/1402-4896/adeb06
P. Février, M. Gabelli, et al., “Photon-assisted coherent transport in nanoscale tunnel junctions,” Communications Physics, 6, 92 (2023). https://doi.org/10.1038/s42005-023-01149-5
J.P. Mendez, A. Torres, and D.F. de Lima, “Phonon-coupled tunneling in high-field quantum nanostructures,” arXiv preprint, arXiv:2410.17408, (2025). https://arxiv.org/pdf/2410.17408
T. Sugiura, Y. Morita, et al., “Analysis of tunneling mechanisms in renewable-energy semiconductor devices,” Energy Science & Engineering, 11(10), 3888-3906 (2024). https://doi.org/10.1002/ese3.1523
B.M. Karnakov, and V.P. Krainov, WKB Approximation in Atomic Physics, (Springer, 2012). https://doi.org/10.1007/978-3-031-60065-4
V.A. Mishchenko, et al., “Generalized WKB theory for electron tunneling in gapped α-ℐ3 lattices,” Low Temperature Physics, 51, 588–595 (2025). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.103.165429
G. Gulyamov, Sh.B. Utamuradova, M.G. Dadamirzaev, N.A. Turgunov, M.K. Uktamova, K.M. Fayzullaev, A.I. Khudayberdiyeva, et al., “Calculation of the Total Current Generated in a Tunnel Diode Under the Action of Microwave and Magnetic Fields,” East European Journal of Physics, (2), 221-227 (2023). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2023-2-24
P.R. Berger, G. Gulyamov, M.G. Dadamirzaev, M.K. Uktamova, and S.R. Boidedaev, Romanian Journal of Physics, 69, 609 (2024). https://doi.org/10.59277/RomJPhys.2024.69.609
A.G. Chynoweth, W.L. Feldman, and R.A. Logan, “Excess Tunnel Current in Silicon Esaki Junctions,” Phys. Rev. 121, 684 (1961). https://doi.org/10.1103/PhysRev.121.684
T.A. Growden, M. Evan, D.F. Storm, P.R. Berger et al., 930 kA/cm2 peak tunneling current density in GaN/AlN resonant tunneling diodes grown on MOCVD GaN-on-sapphire template, Appl. Phys. Lett. 114, 203503 (2019).
I. Fistul, and N.Z. Shvarts, Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 77, 109–160 (1962).
M.W. Dashiell, J. Kolodzey, P. Crozat, F. Aniel, and J.M. Lourtioz, “Microwave properties of silicon junction tunnel diodes grown by molecular beam epitaxy,” IEEE Electron Device Letters, 23, 357–359 (2002). https://doi.org/10.1109/led.2002.1004234
M. Lotfi, and D. Zohir, “International Journal of Control and Automation, 9(4), 9-50 (2016). http://dx.doi.org/10.14257/ijca.2016.9.4.05
Y. Yan, “Silicon-based tunnel diode technology,” Doctoral Thesis, University of Notre Dame, 2008.
P.R. Berger, in: Comprehensive Semiconductor Science and Technology, (2011), pp. 176-241. https://doi.org/10.1016/B978-0-44-453153 7.00013-4
Y. Turkulets, and I. Shalish, “Franz-Keldysh effect in semiconductor built-in fields: Doping concentration and space charge region characterization,” Journal of Applied Physics, 124(7), 075102 (2018). https://doi.org/10.1063/1.5038800
Y.Wang, et al. “The influence of the Franz-Keldysh effect on the electron diffusion length in p-type GaN determined using the spectral photocurrent technique,” Journal of Applied Physics, 112(4), 045401 (2012). https://doi.org/10.1063/1.4746740
C.Wang, et al. “Investigation of Franz–Keldysh effect in GaN-based structures by electroabsorption spectroscopy,” Journal of Applied Physics, 124(3), 035703 (2018). https://doi.org/10.1063/1.5031854
R. Kudritzki, C. Zimmermann, and D. Feiler, “Illumination-induced modifications of tunneling current in heavily doped semiconductor junctions,” Journal of Applied Physics, 115, 083704 (2014). http://dx.doi.org/10.1063/1.4866852
H.L. Hartnagel, and A. Pavlidis, “Bias-dependent photocurrent generation and tunneling enhancement in pn-junction-based photodetectors,” Semiconductor Science and Technology, 29, 045007 (2014). https://doi.org/10.1088/0268-1242/29/4/045007
Авторське право (c) 2025 Мухаммаджон Г. Дадамірзаєв, Мунірахон К. Уктамова, Ширін Рахманова, Гайрат А. Ібадуллаєв
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
