Туннельный диод

Туннельным диодом называется такой, принцип действия которого ос­нован на туннельном эффекте. В отличие от обычного диода, туннельный хорошо проводит ток в обратном направлении, а на прямой ветви его вольтамперной характеристики имеется падающий участок с отрица­тельным дифференциальным сопротивлением. Явление туннельного эффекта заключается в том, что электрон, обладающий энергией меньшей, чем высота потенциального барьера, может все же пройти сквозь барьер, если по другую сторону от барьера имеет­ся такой же свободный энергетический уровень. Таким образом, туннель­ный переход электронов происходит без изменения их энергии.

Для широких электронно-дырочных переходов с низкой напряженностью электрического поля вероятность туннельного перехода электро­нов мала. Так, например, для германия при напряженности поля в переходе 10⁶ В/м вероятность туннельного перехода электрона за 1 с состав­ляет 10^-100. При напряженности поля 10⁷ В/м через переход за счет туннельного эффектна будет проходить 1 электрон в 1 с , а при напряженности 10⁸ В/м - 10¹² электронов в секунду.

Приведенные цифры говорят о том, что туннельный переход электро­нов в существенной степени определяется напряженностью поля в электронно-дырочном переходе.

Повышением концентрации примесей в р и n областях диода можно увеличить напряженность поля в p-n переходе (за счет уменьше­ния его ширины ) до величины, при которой туннельный переход электронов резко увеличивается. Поэтому туннельные диоды изготав­ливаются на основе сильно легированных полупроводников таких, как германий, кремний, арсенид галлия. При этом толщина p-n перехода туннельного диода составляет около 10^-8 м, а напряженность поля получа­ется порядка (6 ¸ 7)10⁷ В/м.

Сильнее легирование p и n областей приводит к тому, что примесные локальные уровни размываются в зоны, перекрывающиеся с бли­жайшими разрешенными зонами (акцепторные уровни размываются в зону, перекрывающуюся с валентной зоной, а донорные - в зону, перек­рывающуюся с зоной проводимости).

Такое слияние зон происходит при некоторой критической концент­рации примесей. Например, для германия значение критической концент­рации составляет 2 ∙ 10²⁵ м^-3, а для кремния – около 6 ∙ 10²⁵ м^-3.

Уровень Ферми в этом случае лежит внутри разрешенных зон и рас­полагается приблизительно на расстоянии 3j_Tот их границ. Таким об­разом, зонная диаграмма p-n перехода, образованного двумя сильно легированными полупроводниками принимает вид, показанный на рис.2.21.

Из рисунка видно, что напротив разрешенных уровней валентной зоны p полупроводника располагаются разрешенные уровни зоны проводимости n полупроводника. Там же упрощенно показано, что электроны стремятся занять более низкие энергетические уровни, и поэтому верхние уровни валентной зоны p области оказываются в основном занятыми дырками, а уровни, лежащие вблизи дна зоны проводимости n области, оказываются в ос­новном занятыми электронами.

На рис. 2.22. приведена вольтамперная характеристика туннельного диода. При отсутствии внешнего напряжения имеются одинаковые условия для туннельного перехода электронов слева направо и справа налево; в состоянии термодинамического равновесия ток равен нулю (рис. 2.22 а). Если на туннельный диод подано прямое напряжение, то часть заполненных уровней зоны проводимости n области оказываются против почти пустых уровней валентной зоны p области. В этом случае начинает преобладать туннельный переход электронов из зоны проводимости n области в валентную зону p области. Причем туннельный ток имеет значительно большую величину, чем обычный диффузионный ток (рис.2.22.б). С увеличением прямого напряжения результирующий туннельный ток будет расти, так как будет возрастать переход электронов из n в p область: увеличивается число заполненных уровней в зоне проводимости n полупроводника, перекрывающихся с незаполненными уровнями валентной зоны p полупроводника. При этом обратный туннельный переход элек­тронов уменьшается.

При некотором напряжении на диоде суммарный туннельный ток достигнет максимума (рис. 2.22,в), а затем будет уменьшаться в связи с уменьшением перекрытия энергетических зон и числа уровней, на которые могут переходить электроны за счет туннельного эффекта. На вольтамперной характеристике туннельного диода появляется падающий участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 2.22,г).

Когда под воздействием прямого смещения энергетический уровень потолка валентной зоны р области совпадает с энергетическим уров­нем дна зоны проводимости n области, туннельный ток обратится в ноль (рис. 2.22,д). Однако при этом через диод течет ток, обусловлен­ный диффузией. Последний быстро увеличивается с ростом прямого напря­жения, и на вольтамперной характеристике наблюдается минимум (рис.2.22,д).

Если к диоду приложить обратное напряжение (рис. 2.22,ж), то вследствие увеличения туннельного перехода электронов из валентной зоны р области в зону проводимости n области будет быстро нарастать об­ратный ток. Поэтому туннельный диод обладает высокой проводимостью при обратном включении.

2.13. Параметры туннельных диодов.

Основными параметрами туннельного диода, связанными с его вольтамперной ха­рактеристикой (рис. 2.22), являются:

1. I_пик. - пиковый ток.

2. I_вп. - ток впадины, соответствующий минимуму вольтамперной характеристики.

3. U_{пик .}- напряжение пика.

4. U_вп. - напряжение впадины.

5. U_рр - напряжение раствора (прямое напряжение на второй прямой восходящей ветви вольтамперной характеристики при токе, равном пиковому).

6. - отношение пикового тока к току впадины.

7. R_д - отрицательное дифференциальное сопротивление диода.

Наличие участка вольтамперной характеристики диода о отрицатель­ным дифференциальным сопротивлением позволяет использовать туннель­ный диод в переключающих схемах, а также для усиления и генери­рования колебаний. В связи с тем, что перенос тока (ток переносится основными носителями) не связан с медленными процессами диффузии или дрейфа носителей, туннельный диод может работать на очень высоких частотах, до сотен ГГц. Частотные свойства диода ограничены условием сохранения отрицательного сопротивления по отношению к внешней цепи.

На рис. 2.23 представлена эквивалентная схема туннельного диода для малого синусоидального сигнала при работе на падающем участ­ке вольтамперной характеристики. На этой схеме L_д - индуктивность выводов диода, r_б- сопротивление базы диода (включает сопротивле­ние контактов и выводов), С_p-n - емкость перехода диода при заданном напряжении смещения, R_диф. - отрицательное дифференциальное сопротив­ление диода.

На некоторой частоте w сопротивление диода можно предста­вить в виде: .

На частоте , называемой критической частотой туннельного диода, его активная составляющая становится равной нулю, т.е. .

Определённая из этого условия критическая частота

.

. Исследование этого выражения на максимум относительно величины показывает, что при , .

Таким образом, частотные свойства туннельного диода определяются пос­тоянной времени .

Важно отметить, что туннельные диода могут работать как при очень низких, так и при белее высоких температурах, нежели другие приборы с p-n переходом на основе того же материала. Это объясняется сильным легированием p и n областей.