Предложенный в 1958 г. японским ученым Л. Ёсаки туннельный диод изготавливается из германия или арсенида галлия с высокой концентрацией примесей (1019 – 1020 см–3), т. е. с очень малым удельным сопротивлением, в сотни или тысячи раз меньшим, чем в обычных диодах. Такие полупроводники с малым сопротивлением называют вырожденными. Электронно-дырочный переход в вырожденном полупроводнике получается в десятки раз тоньше (10–6 см), чем в обычных диодах, а потенциальный барьер примерно в два раза выше. В обычных полупроводниковых диодах высота потенциального барьера равна примерно половине ширины запрещенной зоны, а в туннельных диодах она несколько больше этой ширины. Вследствие малой толщины перехода напряженность поля в нем даже при отсутствии внешнего напряжения достигает 106 В/см.
В туннельном диоде, как и в обычном, происходит диффузионное перемещение носителей через электронно-дырочный переход и обратный их дрейф под действием поля. Но кроме этих процессов, основную роль играет тyнельный эффект. Он состоит в том, что согласно законам квантовой физики при достаточно малой высоте потенциального барьера возможно проникновение электронов через барьер без изменения их энергии. Такой туннельный переход электронов с энергией, меньшей высоты потенциального барьера (в электрон-вольтах), совершается в обоих направлениях, но только при условии, что по другую сторону барьера для туннелирующих электронов имеются свободные уровни энергии. Подобный эффект невозможен с точки зрения классической физики (в которой электрон рассматривается как частица материи с отрицательным зарядом), но оказывается вполне реальным в явлениях микромира, подчиняющихся законам квантовой механики, согласно которым электрон имеет двойственную природу: с одной стороны, он является частицей, а с другой стороны, он может проявлять себя как электромагнитная волна. Но электромагнитная волна может проходить через потенциальный барьер, т. е. через область электрического поля, не взаимодействуя с этим полем.
Процессы в туннельном диоде удобно рассматривать на энергетических диаграммах, показывающих уровни энергии валентной зоны и зоны проводимости в п- и р-областях. Вследствие возникновения контактной разности потенциалов в п – р-переходе границы всех зон в одной из областей сдвинуты относительно соответствующих зон другой области на высоту потенциального барьера, выраженную в электрон-вольтах.
Рис. 77. Энергетические диаграммы n – p-перехода в туннельном диоде при различном приложенном напряжении
На рис. 77, используя энергетические диаграммы, мы изобразили возникновение туннельных токов в электронно-дырочном переходе туннельного диода. Для того, чтобы не усложнять рассмотрение туннельного эффекта, диффузионный ток и ток проводимости на этом рисунке не показаны. Диаграмма на рис. 77а соответствует отсутствию внешнего напряжения. Высота потенциального барьера взята для примера 0,8 эВ, а ширина запрещенной зоны составляет 0,6 эВ. Горизонтальными линиями в зоне проводимости и в валентной зоне показаны энергетические уровни, полностью или частично занятые электронами. В валентной зоне и зоне проводимости изображены также не заштрихованные горизонтальными линиями участки, которые соответствуют уровням энергии, не занятым электронами. Как видно, в зоне проводимости полупроводника п-типа и в валентной зоне полупроводника р-типа имеются занятые электронами уровни, которым соответствуют одинаковые энергии. Поэтому возможен туннельный переход электронов из области п в область р (прямой туннельный ток iпр) и из области р в область п (обратный туннельный ток iобр). Эти два тока одинаковы по значению, и результирующий ток равен нулю.
На рис. 77б показана диаграмма при прямом напряжении 0,1 В, за счет которого потенциальный барьер понизился на 0,1 эВ и составляет 0,7 эВ. В этом случае туннельный переход электронов из области п в область р усиливается, так как в области р имеются в валентной зоне свободные уровни с такими же энергиями, как энергии уровней, занятых электронами в зоне проводимости области п. А переход электронов из валентной зоны области р в область п невозможен, так как уровни, занятые электронами в валентной зоне области р, соответствуют в области п энергетическим уровням запрещенной зоны. Обратный туннельный ток отсутствует, и результирующий ток достигает максимума. В промежуточных случаях, например, когда uпр = 0,05 В, существует и прямой, и обратный туннельный ток, но обратный ток меньше прямого. Результирующим будет прямой ток, но он меньше максимального, получающегося при uпр= 0,1 В.
Случай, показанный на рис. 77в, соответствует uпр = 0,2 В, когда высота потенциального барьера стала 0,6 эВ. При этом напряжении туннельный переход невозможен, так как уровням, занятым электронами в данной области, соответствуют в другой области энергетические уровни, находящиеся в запрещенной зоне. Туннельный ток равен нулю. Он отсутствует также и при большем прямом напряжении.
Следует помнить, что при возрастании прямого напряжения увеличивается прямой диффузионный ток диода. При рассмотренных значениях uпр < 0,2 В диффузионный ток гораздо меньше туннельного тока, а при uпр > 0,2 В диффузионный ток возрастает и достигает значений, характерных для прямого тока обычного диода.
На рис. 77г рассмотрен случай, когда обратное напряжение uобр = = 0,2 В. Высота потенциального барьера стала 1 эВ, значительно увеличилось число уровней, занятых электронами в валентной зоне p-области и соответствующих свободным уровням в зоне проводимости n-области. Поэтому резко возрастает обратный туннельный ток, который получается такого же порядка, как и ток при прямом напряжении.
Вольтамперная характеристика туннельного диода (рис. 78) поясняет рассмотренные диаграммы. Как видно, при u = 0 ток равен нулю. Увеличение прямого напряжения до 0,1 В дает возрастание прямого тунельного тока до максимума (точка А). Дальнейшее увеличение прямого напряжения до 0,2 В сопровождается уменьшением тунельного тока. Поэтому в точке Б получается минимум тока, и характеристика имеет падающий участок АБ, для которого характерно отрицательное сопротивление переменному току
< 0. (111)
После этого участка ток снова возрастает за счет диффузионного прямого тока, характеристика которого на рис. 78 показана штриховой линией. Обратный ток получается такой же, как прямой, т. е. во много раз больше, нежели у обычных диодов.
Основные параметры туннельных диодов – ток максимума Imax, ток минимума Imin (часто указывается отношение Imax / Imin, которое бывает равно нескольким единицам), напряжение максимума U1, напряжение минимума U2, наибольшее напряжение U3, соответствующее току Imax на втором восходящем участке характеристики (участок БВ). Разность U = = U3 – U1называется напряжением переключения,или напряжением скачка. Токи в современных туннельных диодах составляют единицы миллиампер, напряжения – десятые доли вольта. К параметрам также относятся отрицательное дифференциальное сопротивление диода (обычно несколько десятков ом), общая емкость диода (единицы или десятки пикофарад), время переключения (доли наносекунды) и максимальная, или критическая, частота (сотни гигагерц).
Включая туннельный диод в различные схемы, можно его отрицательным сопротивлением компенсировать положительное активное сопротивление (если рабочая точка будет находиться на участке АБ) и получать режим усиления или генерации колебаний. Например, в обычном колебательном контуре за счет потерь всегда имеется затухание. Но с помощью отрицательного сопротивления туннельного диода можно уничтожить потери в контуре и получить в нем незатухающие колебания. Простейшая схема генератора колебаний с туннельным диодом показана на рис. 79.
Работу такого генератора можно объяснить следующим образом. При включении питания в контуре LC возникают свободные колебания. Без туннельного диода они затухли бы. Пусть напряжение Е выбрано таким, чтобы диод работал на падающем участке характеристики, и пусть во время одного полупериода переменное напряжение контура имеет полярность, показанную на рисунке знаками «+» и «–» без кружков (знаки « + » и «–» в кружках относятся к постоянным напряжениям). Напряжение от контура подается на диод и является для него обратным. Поэтому прямое напряжение на диоде уменьшается. Но за счет работы диода на падающем участке характеристики ток возрастает, т. е. пройдет дополнительный импульс тока, который добавит энергию в контур. Если эта дополнительная энергия достаточна для компенсации потерь, то колебания в контуре станут незатухающими.
Туннельный переход электронов через потенциальный барьер происходит в чрезвычайно малые промежутки времени: 10–12 – 10–14 с. Поэтому туннельные диоды хорошо работают на сверхвысоких частотах. Например, можно генерировать и усиливать колебания с частотой до десятков и даже сотен гигагерц. Следует заметить, что частотный предел работы туннельных диодов практически определяется не инерционностью туннельного эффекта, а емкостью самого диода, индуктив-ностью его выводов и его активным сопротивлением.
Принцип усиления с туннельным диодом показан на рис. 80. Для получения режима усиления необходимо иметь строго определенные значения Е и Rн.Сопротивление Rндолжно быть немного меньше абсолютного значения отрицательного сопротивления диода. Тогда при отсутствии входного напряжения исходная рабочая точка Т может быть установлена на середине падающего участка (эта точка является пересечением линии нагрузки с характеристикой диода). При подаче входного напряжения с амплитудой Umвхлиния нагрузки будет «совершать колебания», перемещаясь параллельно самой себе.
Крайние ее положения показаны штриховыми линиями. Они определяют конечные точки рабочего участка АБ. Проектируя эти точки на ось напряжений, получаем амплитуду выходного напряжения Umвых,которая оказывается значительно больше амплитуды входного. Особенность усилителя на туннельном диоде – отсутствие отдельной входной и отдельной выходной цепи, что создает некоторые трудности при осуществлении схем с несколькими каскадами усиления. Усилители на туннельных диодах могут давать значительное усиление при невысоком уровне шумов и работают устойчиво.
Рис. 80. Простейшая схема усилителя с туннельным диодом (а) и график, поясняющий процесс усиления (б)
Туннельный диод используется также в качестве быстродействующего переключателя, причем время переключения может быть около 1 нс, и даже меньше. Схема работы туннельного диода в импульсном режиме в общем случае такая же, как на рис. 80, но только входное напряжение представляет собой импульсы, а сопротивление Rндолжно быть несколько больше абсолютного значения отрицательного сопротивления диода.
Туннельные диоды могут применяться в технике СВЧ, а также во многих импульсных радиоэлектронных устройствах, рассчитанных на высокое быстродействие. Помимо весьма малой инерционности, достоинством туннельных диодов является их стойкость к ионизирующему излучению, а также малое потребление энергии от источника питания. К сожалению, эксплуатация туннельных диодов выявила существенный их недостаток. Он заключается в том, что эти диоды подвержены значительному старению, т. е. с течением времени их характеристики и параметры заметно изменяются, что может привести к нарушению нормальной работы того или иного устройства.
Все туннельные диоды имеют весьма малые размеры. Например, они могут быть оформлены в цилиндрических герметичных металлостеклянных корпусах диаметром 3 – 4 мм и высотой около 2 мм. Выводы у них гибкие ленточные. Масса не превышает 0,15 г.
В настоящее время разрабатываются новые типы туннельных диодов, исследуются новые полупроводниковые материалы для них и проблемы замедления старения.
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Физическая электроника. – М.: Наука, 1976. – 236 с.
2.Шимони К. Физическая электроника. – М.: Энергия , 1977. – 607 с.
3.Соболев В.Д. Физические основы электронной техники. – М.: Высш. шк., 1979. – 447 с.
< 0. (111)
U = = U3 – U1называется напряжением переключения,или напряжением скачка. Токи в современных туннельных диодах составляют единицы миллиампер, напряжения – десятые доли вольта. К параметрам также относятся отрицательное дифференциальное сопротивление диода (обычно несколько десятков ом), общая емкость диода (единицы или десятки пикофарад), время переключения (доли наносекунды) и максимальная, или критическая, частота (сотни гигагерц).
