Oslash;Туннельные диоды

Японский ученый Есакипредложил в 1958 г. туннельный диод, который отличался от остальных диодов тем, что основным рабочим режимом для него является туннельный пробой. Как и в обычном диоде в нем име­ется один p–n-переход. Но в отличие от обычного, концентрация примесей чрезвычайно высока (порядка 10¹⁹–10²⁰ см^-3). Это приводит к удельному сопротивлению, в сотни и тысячи раз меньшему, чем у обычных диодов. Полупроводники со столь ничтожным сопротивлением именуются вырож­денными. Толщина перехода в вырожденном полупроводнике в десятки раз меньше (порядка 10^-5 мм), а потенциальный барьер примерно в два раза выше. В туннельных диодах существует диффузия носите­лей через переход и обратный дрейф под влиянием электрического поля на переходе. Но основную роль играет туннельный эффект. Он состоит в том, что в соответствии с законами квантовой физики, при достаточно малой толщине потенциального барьера, имеется значимая вероятность прохожде­ния барьера электронами без изменения их энергии. Он возможен и в том случае, если энергия электрода, выраженная в электронвольтах -эВ, ниже потенциального барьера в вольтах. Необходимое условие: для электронов по другую сто­рону барьера должны иметься свободные уровни энергии. Процессы в туннельном диоде иллюстрируют энергетические диаграммы (рис. 14). Они представляют собой комбинацию из схем энергетических уровней (см. рис. 1) и потенциальных диаграмм перехода (см. рис. 3). По­мимо их распределения они показывают уровни энергии в ва­лентных зонах и зонах проводимости по обе стороны барьера. Вследствие контактной разницы потенциалов зоны в одной области сдвинуты по отно­шению к другой на высоту потенциального барьера. На диаграммах указан только туннельный ток. Диаграмма на рис. 14,а соответствует отсутст­вию внешнего напряжения. Контактный потенциальный барьер составляет в приведенном примере 0,8 эВ, а ширина запретной зоны – 0,6 эВ. Между об­ластями существует коридор, туннель шириной 0,2 эВ, с обоих торцов ко­торого располагаются валентные зоны. Так как условия прохождения тун­неля в обе стороны одинаковы, по нему в обоих направлениях протекают туннельные токи, и суммарный ток через переход равен нулю.

При подаче на переход прямого напряжения 0,1 В (рис. 14,б) потенциальный барьер снижается на эту величину и составляет 0,7 эВ. С правого торца туннеля расположены валентные уровни, с левого – уровни проводимости.

а б

в г

Рис. 14. Энергетические диаграммы n–p-перехода в туннельном диоде:
а – U = 0; б – U = 0,1 В; в – U = 0,2 В; г – U_ОБР = 0,2 В

Соответственно туннельный ток течет слева направо (прямой ток). При дальнейшем увеличении прямого напряжения (на ри­с. 14,в – до 0,2 В) области слева и справа от перехода еще больше сме­щаются и туннель перекрывается – нет ни одного «смежного» для обеих об­ластей энергетического уровня, на котором может разместиться электрон проводимости, т. е. не выполняется условие туннельного перехода.

На рис. 14,г изображен переход под воздействием обратного напряжения 0,2 В. Потенциальный барьер составляет 0,8 эВ + 0,2 В = 1 эВ. Верхний ва­лентный уровень справа расположен выше такового слева. За счет этого об­разуется туннель шириной 1 эВ – 0,6 эВ = 0,4 эВ, по которому течет обрат­ный ток – справа налево. Квадрант прямого напряжения вольтамперной характеристики тун­нельного диода приведен на рис. 15.

В точке 0 суммарный ток отсутст­вует, и точка соответствует ситуа­ции рис. 14,а. При повышении прямого напряжения U_ПР в интер­вале 0 – А в переходе появляется и расширяется энергетический тун­нель. Прямой туннельный ток резко возрастает и в точке А достигает максимума (ситуация рис. 14,б).

При дальнейшем повышении U_ПР ширина туннеля уменьшается до ис­чезновения его в точке Б. Соответ­ственно уменьшается и туннельный ток, который в точке Б равен нулю. Дальнейшее изменение тока полно­стью связано с диффузным и поле­вым токами, как и у обычного диода. Для сравнения вольтамперная характеристика обычного диода про­ведена пунктиром. Что касается вольтамперной характеристики при обрат­ном напряжении, то за счет обратного туннельного тока она так же гораздо круче, чем у обычного диода. Участок А–Б обладает отрицательным углом наклона к оси U, что как бы противоречит закону Ома. Поэтому у вырож­денных полупроводников имеется второе название – полупроводники с от­рицательным сопротивлением. Термин лишен физического смысла – отри­цательного сопротивления не бывает – но вместе с тем очень образен, что и привело к его широкому распространению.

На рис. 15 характеристика участка А–Б обладает вы­сокой крутизной – незначительное изменение напряжения ведет к резкому изменению тока. Это привело к широкому применению туннельных диодов в усилителях, бесконтактных переключателях, генераторах сверхвысокой (до десятков гигагерц) частоты – СВЧ.