ترانزیستور اثر میدان تونلی (TFET) یک دیود p-i-n بایاس معکوس است که پتانسیل ناحیه ذاتی آن توسط گیت کنترل می شود. در این فصل مؤلفه های جریان بایاس معکوس یک پیوند p-n شرح داده می شود. در ادامه با تاریخچه افزاره TFET و چالش اصلی در آن آشنا می شویم و به بررسی کارهای انجام شده برای بهبود مشخصه Ion/Ioff خواهیم پرداخت.
1-1- پیوند p-n تحت شرایط بایاس معکوس
شکل (1-1) یک پیوند p-n را تحت شرایط بایاس معکوس نشان می دهد. با افزایش بایاس معکوس، ممکن است که جریان دیود به طور فزاینده ای افزایش یابد. این پدیده که شکست نامیده می شود ممکن است به لحاظ یکی از سه منشأ زیر به وجود آید. اولین علتی که بررسی خواهیم کرد، سوراخ شدن خوانده می شود.
1-1-1- سوراخ شدن
با افزایش بایاس معکوس، عرض ناحیه تخلیه که بر روی آن پتانسیل افت می کند، افزایش می یابد. وضعیت را در نظر بگیرید که در آن ناحیه ای که آلایش زیادی از نوع p دارد، در مجاورت ناحیه ای که دارای آلایش اندک نوع n است قرار داشته باشد. در این صورت ناحیه تخلیه طرف n بسیار بزرگتر از ناحیه تخلیه طرف p است. در ولتاژ زیاد معینی، ناحیه تخلیه طرف n به اتصال اهمی طرف n خواهد رسید. اگر ولتاژ باز هم افزایش یابد، اتصال رسوخ میدان الکتریکی را احساس خواهد کرد و الکترون در اختیار دیود p-n قرار خواهد داد. در نتیجه دیود اتصال کوتاه می شود و جریان صرفا توسط مقاومت های مدار خارجی محدود می گردد.
2-1-1- یونیزه شدن برخوردی یا شکستن بهمنی
افزایش بایاس معکوس موجب افزایش انرژی حامل ها می شود، در این شرایط الکترونی که خیلی داغ می باشد، از الکترونی که در نوار ظرفیت قرار دارد، از طریق برهم کنش کولمبی پراکنده می شود و آن را به نوار هدایت پرتاب می کند. الکترون اولیه باید انرژی کافی را برای بالا بردن الکترون از نوار ظرفیت به نوار هدایت فراهم آورد. بنابراین انرژی الکترون اولیه باید کمی بزرگتر از شکاف انرژی (که نسبت به کمینه نوار هدایت اندازه گیری می شود) باشد. حال در تراز نهایی، دو الکترون در نوار هدایت و یک حفره در نوار ظرفیت داریم. بنابراین تعداد بارهایی که جریان را حمل می نمایند، تکثیر یافته است. این پدیده اغلب پدیده بهمنی نامیده می شود. توجه داشته باشید که این مسأله برای حفره های داغ نیز ممکن است اتفاق بیفتد و حفره ها نیز می توانند آغازگر پدیده بهمنی باشند.