Туннельный эффект в вырожденном электронно-дырочном переходе. Туннельные и обращенные диоды

В рассмотренных выше приборах носители преодолевали этот барьер p-n-перехода, имея соответствующую энергию. В туннельных и обращенных диодах p-n-переход изготовлен настолько узким за счет высокой степени легирования p-и -n-областей, что электроны могут проходить сквозь него за счет волновых свойств (туннельный эффект). Следствием высокой концентрации примесей является, во-первых, малая толщина перехода (примерно в 100 раз меньше, чем в других типах полупроводниковых диодов), а во-вторых, расщепление примесных энергетических уровней с образованием примесных энергетических зон, которые примыкают к зоне проводимости в n – области и к валентной зоне в p- области. Уровни Ферми при этом оказываются расположенными в разрешенных зонах (рис.5.4а), а электронный газ становится вырожденным. Сам полупроводник и p-n- переход также называют в этом случае вырожденными.

В туннельных диодах и прямой ток при небольших напряжениях и обратный ток обусловлены туннельным эффектом.

Процесс формирования вольт-амперной характеристики туннельного диода можно проследить по рис.5.4. Если напряжение на p-n-переходе равно нулю, ток также равен нулю, так как число туннельных переходов

справа налево и слева направо (рис.5.4 а) одинаково. При приложении небольшого прямого напряжения изгиб энергетических зон уменьшается, свободные энергетические уровни p-области (занятые дырками), расположенные непосредственно над уровнем Ферми, оказываются на одной высоте с энергетическими уровнями n-области, занятыми электронами (рис.5.4 б). Поэтому будет происходить преимущественное туннелирование электронов из n-области в p-область. При некотором («пиковом») напряжении на диоде свободные энергетические уровни валентной и примесной зон p-области окажутся на одной высоте с занятыми электронами уровнями зоны проводимости и примесной зоны - в этом случае туннельный ток будет максимальным (рис 5.4 в).

При дальнейшем увеличении прямого напряжения туннельный ток будет уменьшаться, так как при еще меньшем изгибе зон число электронов (в n-области), находящихся на одной высоте со свободными уровнями (p-области), уменьшается (рис.5.4 г). Туннельный ток окажется равным нулю при еще большем прямом напряжении (рис. 5.4 д), когда для свободных электронов n-области не будет свободных уровней в p-области. Однако при этом через диод будет проходить прямой ток, обусловленный переходом носителей заряда через понизившийся потенциальный барьер, то есть инжекционный ток. С дальнейшим увеличением прямого напряжения прямой ток будет возрастать, как и в обычных выпрямительных диодах (рис.5.4 е).

В результате на прямой ветви вольт-амперной характеристики появляется участок отрицательного дифференциального сопротивления, когда с ростом напряжения ток падает. Эта особенность вольт-амперной характеристики является самым интересным свойством туннельных диодов. Обратный ток имеет туннельный механизм, обратный ток сильно увеличивается с ростом обратного напряжения, участка насыщения, как в обычных диодах, на обратной ветви вольт-амперной характеристики нет. Туннельные диоды используют в генераторных, усилительных, переключающих схемах.

В обращенных диодах (рис.5.5) используется такая концентрация примесей, что при обратном смещении возникает туннельный эффект, а при прямом – нет. В этом случае при небольших значениях напряжения обратный ток (туннельный) намного больше прямого (инжекционного). Таким образом, пропускное и запирающее направления в данном виде приборов обращены по сравнению с другими диодами. Отсюда и название этих приборов - обращенные диоды. Эти диоды обладают высоким быстродействием, так как не происходит накопления носителей в базовых областях, поэтому они используются при работе на высоких частотах, вплоть до СВЧ-диапазона.