Туннельный эффект

Туннельный эффект был открыт японцем Лео Эсаки, который в 1973 году получил за него Нобелевскую премию, а практический образец туннельного диода был изготовлен ещё в 1958 году. Туннельный эффект, который относят к группе квантовых эффектов, заложен в основу принципа действия туннельных диодов.

Рисунок 38 – Вольт - амперная характеристика туннельного диода

Туннельный диод обладает очень тонким электронно-дырочным переходом, который образован вырожденными полупроводниками. Толщина электронно-дырочного перехода не должна превышать 10 нм. Роль полупроводника может играть кремний, антимонид галлия, арсенид галлия и др. Вольтамперная характеристика туннельного диода изображёна на рисунке 38.

При увеличении приложенного к диоду постоянного напряжения в прямом включении, прямой ток до определённой величины практически линейно возрастает.

При дальнейшем увеличении подведённого к диоду постоянного напряжения из-за высокой внутренней напряжённости поля, достигающей 10⁸ B/м, происходит разгон электронов, которые в момент попадания в тонкий электронно-дырочный переход не успевают остановиться и прошивают его насквозь, подобно движению в туннеле, практически без уменьшения энергии. В электронно-дырочном переходе в результате квантовых эффектов имеет место снижение напряжённости поля и уменьшение прямого тока через туннельный диод почти вплоть до полного прекращения. Это указывает на отрицательное дифференциальное сопротивление, которое равно приращению постоянного напряжения, приложенному к p-n переходу, делённому на отрицательное приращение постоянного тока. Туннельным эффектом называют квантовый процесс преодоления частицами электронно-дырочного перехода по причине высокой напряжённости поля без существенного изменения энергии. А участок отрицательного дифференциального сопротивления позволяет осуществлять генерацию, преобразование или усиление сигналов сверхвысоких частот за счёт потребляемой от источника питания энергии. Действительно, малошумящие каскады с отдельными промышленно изготавливаемыми туннельными диодами усиливают сигналы с частотой примерно 80 ГГц, и даже несколько более высокой. Столь высокое быстродействие легко объяснить чрезвычайно быстрым преодолением электронами электронно-дырочного перехода.

При последующем повышении приложенного к туннельному диоду постоянного прямого напряжения носители заряда диффундируют сквозь электронно-дырочный переход. Вследствие этого происходит повышение прямого тока при увеличении прямого напряжения, что не имеет отличий от прямой ветви вольтамперной характеристики обычного электронно-дырочного перехода.

При обратном включении туннельного диода дырки не испытывают трудностей в преодолении электронно-дырочного перехода и проникновения в область электронного типа, следовательно, туннельные диоды не обладают свойством односторонней проводимости.