Принцип квантово-механического туннелирования

Туннельные диоды это такие диоды, работа которых основана на явлении квантово-механического туннелирования. Первая работа, подтверждающая реальность создания туннельных приборов, была посвящена туннельному диоду, называемому также диодом Есаки, и опубликована Л. Есаки в 1958 году. Есаки в процессе изучения внутренней полевой эмиссии в вырожденном германиевом p-n-переходе обнаружил "аномальную" ВАХ: дифференциальное сопротивление на одном из участков характеристики оказалось отрицательным. Этот эффект он объяснил с помощью концепции квантово-механического туннелирования и, при этом, получил приемлемое согласие между теоретическими и экспериментальными результатами.

В явлении туннелирования главную роль играют основные носители. Время туннелирования носителей через потенциальный барьер не описывается на привычном языке времени пролёта , где -ширина барьера, -скорость носителей); оно определяется с помощью вероятности квантово-механического перехода в единицу времени. Эта вероятность пропорциональна , где - среднее значение волнового вектора в процессе туннелирования, приходящееся на один носитель с нулевым поперечным импульсом и энергией, равной энергии Ферми / /. Отсюда следует, что время туннелирования пропорционально . Оно очень мало, и поэтому туннельные приборы можно использовать в диапазоне миллиметровых волн. В табл. 1.1.1 представлены поддиапазоны СВЧ-диапазона и соответствующие им полосы частот.

Табл. 1

Поддиапазоны СВЧ-диапазона работы туннельного диода

Наименование диапазона	Полоса частот, ГГц
A	0.100-0.250
B	0.250-0.500
C	0.500-1.000
D	1.000-2.000
E	2.000-3.000
F	3.000-4.000
G	4.000-6.000
H	6.000-8.000
I	8.000-10.000
J	10.000-20.000
K	20.000-40.000
L	40.000-60.000
M	60.000-100.00
Миллиметровый	>30-300
Субмиллиметровый	>300

Рис. 1.1.15 Энергетическая диаграмма туннельного диода.

Благодаря высокой надёжности и совершенству технологии изготовления туннельные диоды используются в специальных СВЧ-приборах с низким уровнем мощности, таких, как гетеродин и схемы синхронизации частоты. Туннельный диод представляет собой простой p-n-переход, обе стороны которого вырождены (т.е. сильно легированы примесями). На рис.1.1.15 приведена энергетическая диаграмма туннельного диода, находящегося в состоянии термического равновесия, где и степени вырождения p-области и n-области соответственно.