Туннельные диоды

Туннельный диод – это полупроводниковй диод, изготовленный на основе вырожденного полупроводника (то есть, полупроводника с высокой концентрацией примесей), в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольтамперной характеристике участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Рассмотрим энергетические диаграммы невырожденного и вырожденного полупроводников.

Различия между ними:

1) примесная зона вырожденного полупроводника перекрывается с ближайшей разрешенной зоной;

2) ширина запрещенной зоны в вырожденном полупроводнике меньше;

3) уровень Ферми вырожденного полупроводника находится в разрешенной зоне;

4) свободные заряды в вырожденном полупроводнике существуют при любой температуре, в том числе и при температуре, равной 0 К.

Использование полупроводников с очень высокой концентрацией примесей (10²⁴…10²⁶ м^-3) уменьшает ширину p-n-перехода примерно на два порядка по сравнению с обычными диодами, где эта ширина равна около 0,1 мкм. Поэтому электроны, имеющие энергии меньшие, чем высота энергетического барьера, туннелируют сквозь этот «тонкий» барьер без изменения своей энергии. Для существования туннельных переходов необходимо выполнение следующих условий:

- наличие «тонкого» барьера, при котором квадрат амплитуды волновой функции электрона (вероятность туннелирования) равен 1;

- напряженность электрического поля должна достигать 3…5 кВ/см;

- для электрона, находящегося по одну сторону барьера, должен существовать вакантный уровень по другую сторону барьера с энергией этого электрона.

Из-за высокой концентрации примесей уровень Ферми в полупроводнике n-типа смещается в зону проводимости, а в полупроводнике р-типа- в валентную зону; примесные уровни образуют сплошную зону.

Вольтамперная характеристика туннельного диода изображена на рис. 1.12. Главная особенность ВАХ – наличие участка с дифференциальным сопротивлением. Это объясняется тем, что прямой ток складывается из туннельного тока, образованного потоком электронов из зоны проводимости n-полупроводника в валентную зону р-полупроводника, и тока инжекции. В состоянии равновесия электроны могут совершать туннельные переходы в обоих направлениях, в результате чего суммарный ток равен нулю. Небольшое прямое напряжение уменьшает высоту энергетического барьера. В результате свободные энергетические уровни, расположенные над уровнем Ферми в р-области, окажутся на одной высоте с энергетическими уровнями электронов n-области, расположенной ниже уровня Ферми в n-области. Вследствие этого электроны будут туннелировать из зоны проводимости n-полупроводника в валентную зону p-полупроводника. Максимальный туннельный ток соответствует полному взаимному перекрытию энергетических зон. Дальнейший рост прямого напряжения на диоде уменьшает взаимное перекрытие зон, что приводит, в конечном счете, к нулевой величине туннельного тока. При этом существенное влияние на общий ток оказывает инжекционная составляющая, которая, как и в обычном диоде, резко увеличивается с ростом прямого напряжения.

Подача обратного напряжения перемещает вниз уровень Ферми n-области относительно уровня Ферми р-области. Возникает взаимное перекрытие вакантных уровней зоны проводимости n-области и «глубоких» энергоуровней валентной зоны р-области, занятых электронами. Рост обратного напряжения увеличивает это взаимное перекрытие. Электроны из валентной зоны р-полупроводника будут туннелировать в зону проводимости n-полупроводника. Это явление можно считать туннельным пробоем, при котором величина обратного тока значительно превышает ток экстракции обычных полупроводниковых диодов.

Основные параметры туннельных диодов:

· пиковый ток I_П (от десятых долей миллиампера до сотен миллиампер);

· ток впадины I_B;

· отношение токов I_П /I_B (для туннельных диодов из GaAs отношение I_П /I_B > 10, а для германиевых - I_П /I_B ≈ 3...6);

· напряжение пика U_П - прямое напряжение, соответствующее току I_П (для арсенид-галлиевых диодов U_П ≈ 100... 150 мВ, для германиевых— U_П ≈ 40...60мВ);

· напряжение впадины U_B — прямое напряжение, соответствующее току I_B (U_B ≈ 400...500мВ для арсенид-галлиевых диодов, а для германиевых ‑ U_B ≈ 250...350мВ);

· напряжение раствора U_Р - напряжение, соответствующее пиковому току на второй восходящей ветви ВАХ;

· предельная резистивная частота f_R ;

· удельная емкость туннельного диода Сд/I_П ;

· резонансная частота туннельного диода f₀.

Достоинством туннельных диодов являются высокие рабочие частоты (вплоть до СВЧ), низкий уровень шумов, высокая радиационная стойкость, температурная устойчивость, большая плотность тока (1О³...1О⁴ А/см²).

К недостаткам следует отнести: малую отдаваемую мощность из-за низких рабочих напряжений и сильную электрическую связь между входом и выходом, что во многих случаях затрудняет использование диодов.