Как уже отмечалось в лекции 5, туннельный диод представляет собой простой pn – переход, обе стороны которого вырождены. (см. рис. 5.3)
Проведём качественный анализ туннельных процессов помощью рисунка 7.4
Рисунок 7.4 – Энергетические диаграммы (вверху) и ВАХ туннельного диода
a) – при обратном смещении, б) – в состоянии равновесия (ток не течёт), в) – при прямом смещении для максимального тока, г) – при прямом смещении при долинном токе, ¶) – при прямом смещении, соответствующему диффузионному току
Отметим, что уровни Ферми проходят внутри разрешенных зон полупроводника и в состоянии равновесия Уровень Ферми постоянен по всему объёму полупроводника. Выше уровня Ферми все состояния по обеим сторонам перехода оказываются пустыми, а ниже – заполненными электронами. Поэтому в отсутствии приложенного напряжения туннельный ток не протекает (рис. 7.4б).
При подаче напряжения электроны могут туннелировать из валентной зоны в зону проводимости и наоборот. Для протекания туннельного тока необходимо несколько условий: 1) энергетические состояния на той стороне перехода, откуда туннелируют электроны, должны быть заполнены; 2) на другой стороне перехода энергетические состояния с той же энергией должны быть пустыми; 3) высота и ширина перехода должны быть достаточно малыми, чтобы существовала вероятность туннелирования; 4) должен работать закон сохранения импульса.
На верхнем рисунке 7.4a слева показано, как туннелируют электроны из валентной зоны в зону проводимости при обратном напряжении на диоде. Соответствующая величина тока показана точкой на вольтамперной характеристике на нижнем рисунке слева. При прямом напряжении (рис. 7.4в) существует диапазон энергий, при которых состояния в n - области слева заполнены, а разрешенные состояния в р- области пусты. Естественно, что при этом электроны могут туннелировать из n- области в р- область. При увеличении прямого напряжения число разрешенных пустых состояний в р- области, в которых могут туннелировать электроны из n-области уменьшается (рис. 7.4г) и ток уменьшается. В том случае, когда энергия дна зоны проводимости точно совпадает с потолком валентной зоны ("зоны не перекрываются"), то разрешенные пустые состояния соответствующие заполненным состояниям отсутствуют и туннельный ток прекращается. При дальнейшем увеличении прямого смещения будет протекать обычный диффузионный ток (рис. 7.4д), который экспоненциально возрастает с ростом напряжения. Таким образом следует ожидать, что при подаче прямого смещения на туннельный диод ток сначала возрастает от нуля до максимального значения Ip, затем падает до нуля при напряжении V=Vv (см. рис.7.5)
Рисунок 7.5 - Типичная статическая вольтамперная характеристика туннельного диода (a) и три компоненты полного тока (б)
Падающий участок вольтамперной характеристики соответствует области отрицательного дифференциального сопротивления.
Избыточный ток, приведённый на рисунке 7.5б представляет собой ток, вызванный туннелированием носителей через энергетические состояния, расположенные в запрещённой зоне.
Важно отметить, что туннелирование основных носителей через потенциальный барьер, шириной W не описывается на привычном языке времени пролёта (t=W/v, где v скорость носителей), а определяется вероятностью квантовомеханического перехода. Это время очень мало и поэтому туннельные приборы можно использовать в СВЧ диапазоне (диапазоне миллиметровых волн.
Туннельный диод – полупроводниковый диод с падающим участком на прямой ветви ВАХ, обусловленный туннельным эффектом. Обозначение и ВАХ даны в таблице 7.1. Падающий участок характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением.
В зависимости от функционального назначения туннельные диоды условно подразделяются на усилительные, генераторные и переключательные.
Основные параметры:
IП и UП – пиковые ток и напряжение начала падающего участка;
IВ и UВ – ток и напряжение впадины (конца падающего участка);
- отношение тока впадины к пиковому току;
UР – диапазон напряжений падающего участка ( раствор).
LД – полная последовательная индуктивность диода при заданных условиях (см. рис.7.6), представляющий схему замещения диода на падающем участке ВАХ для малых изменений тока и напряжения на диоде).
f0 – резонансная частота, при которой общее реактивное сопротивление p-n-перехода и индуктивности корпуса обращается в нуль;
fR - предельная резистивная частота, при которой активная составляющая полного сопротивления последовательной цепи, состоящей из p-n-перехода и сопротивлений потерь, обращается в нуль;
rП – сопротивление потерь, включающее сопротивление кристалла, контактных соединений и выводов.
Разновидностью туннельного диода является обращенный диод. Концентрации легирующих примесей в таковом диоде таковы, что p- и n- области перехода близки к вырождению либо слабо вырождены и при малых смещениях ток в обратном направлении превышает ток в прямом. Т.е. это полупроводниковый диод, физические явления в котором подобны физическим явлениям в туннельном диоде. Его рассматривают иногда как вариант туннельного диода. Здесь участок с отрицательным сопротивлением выражен более слабо, чем у туннельного, а иногда даже отсутствует. Обозначение и ВАХ даны в таблице. Обратная ветвь обращенного диода используется как прямая ветвь обычного диода.
- отношение тока впадины к пиковому току;
