Туннельные диоды.

Для изготовления туннельных диодов применяют полупроводниковый материал (германий, арсенид галлия) с большой концентрацией примесей (до 10¹⁹ примесных атомов на 1см³; в полупроводниках обычных диодов концентрация примесей не превышает 10¹⁵ в 1см³). Полупроводники с таким большим содержанием примесей превращаются в полуметаллы и называются вырожденными; они обладают в большей степени свойствами металлов, и в меньшей степени свойствами полупроводников. Электроны в вырожденных полупроводниках ведут себя как в металлах.

При высоком насыщении примесями в полупроводнике типа N уровень доноров сливается с зоной проводимости, а в полупроводнике типа Р уровень доноров сливается с валентной зоной. В результате этого граница зоны проводимости N- полупроводника становится ниже верхней границы валентной зоны Р- полупроводника. Высокая концентрация примесей приводит к увеличению высоты потенциального барьера Uпб, значительно превышающего ширину запрещенной зоны U₃. Из рисунка видно, что зона проводимости N- полупроводника перекрывает валентную зону Р- полупроводника на величину DU=Uпб-U₃. В зоне перекрытия и возникает туннельный эффект. Благодаря высокой концентрации примесей в полупроводниках обоих типов образуется электрическое поле большой напряженности (порядка 10⁸ В/м) в P-N- переходе с малой шириной (порядка 10мкм). Под действием этого поля электрон, движущийся в сторону очень узкого барьера (P-N- переход), пройдет через него на участке DU как через туннель и займет свободный уровень с такой же энергией по другую сторону барьерного слоя. Таким образом, сущность туннельного эффекта состоит в том, что под действием сильного электрического поля P-N- перехода электроны проходят потенциальный барьер с высотой, значительно превышающей их энергию на определенном участке перехода, при этом электроны не изменяют своей энергии.

Вольт- амперная характеристика туннельного диода (см. рис.) показывает изменение протекающего тока через P-N- переход в зависимости от величины и знака приложенного напряжения. При отсутствии внешнего напряжения ток через P-N- переход равен нулю, так как прямой туннельный ток Iт.пр, протекающий из Р- полупроводника в N- полупроводник, равен обратному туннельному току Iт.обр, протекающему навстречу прямому току из N- полупроводника в Р- полупроводник. При увеличении прямого напряжения, приложенному к P-N- переходу, поток электронов из N- полупроводника в Р- полупроводник увеличится, а из Р в N- уменьшится; в результате этого будет происходить нарастание прямого туннельного тока, сила которого достигнет максимального значения Iмах при некотором значении напряжения U_А. При изменении полярности источника питания на обратную туннельный ток изменит свое направление и по мере увеличения обратного напряжения будет линейно возрастать. Следовательно, односторонняя проводимость при туннельном эффекте отсутствует.

Кроме туннельного тока через тот же P-N- переход (как и через обычный) протекает диффузионный ток Iд, обусловленный встречным протеканием электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Поэтому, полный ток P-N- перехода при туннельном эффекте равен:

I=Iт.пр-Iт.обр+Iд.

Следует иметь в виду, что диффузионный ток в туннельном диоде на несколько порядков меньше тока диода с обычным P-N- переходом.

Основной особенностью вольт- амперной характеристики туннельного диода является то, что при подаче прямого напряжения, превышающего U_А, прямой туннельный ток начинает резко убывать до некоторого минимального значения Imin. Образование падающего участка АВ в вольт- амперной характеристике можно объяснить следующим образом. Увеличение прямого напряжения, с одной стороны, приводит к туннельного тока, а с другой- уменьшает напряженность электрического поля в P-N- переходе, поэтому при некотором значении прямого напряжения U_В, когда напряженность электрического поля в P-N- переходе резко снижается, туннельный ток прекращается и P-N- переход приобретает обычные свойства, связанные с прохождением через него диффузионного тока, как это показано на рисунке совмещением двух характеристик. После напряжения U_В участок характеристики 1 туннельного диода, соответствующий полному току P-N- перехода, совпадает с характеристикой 2 диффузионного тока обычного диода.

Участок АВ на вольт- амперной характеристике туннельного диода, на котором ток уменьшается с ростом напряжения, свидетельствует о наличии отрицательного сопротивления у этого прибора.

Туннельные диоды находят применение в схемах высокочастотных усилителей , высокочастотной автоматике и телемеханике, электронно- счетных машинах и т.п. Уменьшение тока с ростом напряжения на участке АВ вольт- амперной характеристики равнозначно сдвигу фазы между ними на 180⁰, т.е. аналогично фазовому сдвигу транзистора, применяемому для целей усиления и изменения фазы сигналов. Туннельный переход электронов происходит практически мгновенно, что позволяет использовать туннельный диод для высоких рабочих частот- порядка 10¹¹Гц. Туннельный диод может работать как при низкой температуре (до -200⁰С), так и при высокой температуре (до +150⁰С), так как при туннельном переходе электроны не расходуют своей энергии.