Өзгешеленген шалаөткiзгiш негiзiнде құрылған, кернеуге тiкелей қосылғанда квантты-механикалық туннелдiк құбылыс негізінде жұмыс істейтін, диодтың вольтамперлiк сипаттамасында терiс дифференциалдық кедергiнiң болатын аймағы бар шалаөткiзгiш диод туннелдiк деп аталады.Шартты белгiсi 3.1– суретте көрсетiлген. Туннелдiк диодтың таңбалануы: АИ 301Г.
3.1–сурет. Туннелдік диодтың шартты белгі
Туннелдік диодты 1958 жылы жапон ғалымы Л.Есаки өзгешеленген p-n өткеліндегі ішкі өрістік эмиссия процесін зерттеу кезінде вольтамперлік сипаттамасының бір бөлігінде теріс дифференциалдық кедергісі барын анықтап ойлап тапқан.
Туннелдік құбылыста басты рөлді негізгі заряд тасымалдаушылар атқарады. Потенциалдық тосқауыл арқылы тасымалдаушылардың туннелдік өту уақыты өзімізге белгілі жүріп өту уақытымен сипатталмайды (t=W/v, мұнда W- барьер ені, v- заряд тасымалдаушылар жылдамдығы), ол уақыт бірлігіндегі квантомеханикалық өтіп кету ықтималдығы көмегімен анықталады. Бұл ықтималдық exp[-2k(0)W] пропорционал, мұнда k(0) – нөлдік көлденең импулсі бар және энергисы Ферми энергиясына тең бір тасымалдаушыға келетін тунелдеу процесіндегі толқындық вектордың орташа мәні. Осыдан туннелдік өту уақыты exp[2k(0)W] пропорционал екені шығады. Ол өте кішкентай, сондықтан туннелдік аспаптарды миллиметрлік толқындар ұзындығында пайдалануға болады. Жоғары сенімділігіне және жасау технологиясының қатты жетілдірілгеніне байланысты туннелдік диодтар төмен деңгейлі қуатты, арнайы өте жоғары жиілікті (СВЧ) аспаптарда, мысалы гетеродин мен жиілікті синхрондау схемаларында пайдаланылады.
3.2 –сурет. Туннелдік диодтың тепе-теңдіктегі энергетикалық диаграммасы
Туннелдік диод қарапайым p-n өткелінен тұрады, бірақ өткелдің екі жағындағы аймақтар өзгешеленген шалаөткізгіштен жасалған (яғни қоспалармен қатты легирленген).
Төменде термикалық тепе-теңдікте тұрған туннелдік диодтың энергетикалық диаграммасы көрсетілген (3.2 –сурет).
3.3- сурет. Әртүрлі режимдегі туннелдік диодтың қарапайымдалған энергетикалық диаграммалары
Қоспаларды көп мөлшерде ендіру (күшті легирлеу) нәтижесінде Ферми деңгейі рұқсат етілген аймақ ішінде орналасады. Өзгешелену дәрежелері Vp және Vnәдетте бірнеше kT/q- ға тең, ал кедейленген қабаттың ені ~100 A0 және одан кішкене, тіпті кәдімгі p-n өткелінен де өлдеқайда кіші. 3.4, а – суретте туннелдік диодтың статикалық вольтамперлік сипаттамасы берілген, одан көрініп тұр кері бағыттағы ток (p-облысының потенциалы n-облысының потенциалына қарағанда теріс) бірқалыпты өседі. Тіке бағытта Vp кернеуінде ток әуелі максималды мәніне дейін ұлғаяды ( Ip шыңдық мәніне дейін), сосын Vvкернеуінде минималды шамасына дейін төмендейді. Vv- дан асатын кернеулерде кернеу өсуіне байланысты ток та экспоненциалдық заң бойынша ұлғаяды. Диодтың толық статикалық тоғы аймақтан аймаққа туннелдеп өтетін токтың, асқын токтың және диффузиялық токтың (б) қосындысы болып табылады. Атап өту керек, Ферми деңгейлері шалаөткізгіштің рұқсат етілген аймақтары іші арқылы өтеді, және де термодинамикалық тепе-теңдікте Ферми деңгейі бүкіл шалаөткізгіш бойынша тұрақты. Ферми деңгейінен жоғары барлық күйлер өткелдің екі жағынан да бос болады, ал Ферми деңгейінен төмен барлық күйлер өткелдің екі жағынан электрондармен толтырылған. Сондықтан диодқа кернеу берілмегенде туннелдік диод арқылы ток жүрмейді. Өткелге кернеу бергенде электрондар валенттік аймақтан өткізгіштік аймаққа және керісінше тунелдеп өтіп кетеді. Туннелдік ток жүруі үшін келесі шарттар орындалуы тиіс: 1) электрондар тунелдеп өтуді бастайтын өткел жағындағы барлық энергетикалық күйлер толтырылған болуы керек; 2) өткелдің екінші жағындағы сондай энергиясы бар энергетикалық күйлер бос болуы тиіс; 3) тунелдеудің нақты ықтималдығы болуы үшін потенциалдық тосқауылдың ені мен биіктігі жеткілікті түрде кішкентай болуы керек; 4) квазиимпульс сақталуы тиіс.
3.4–сурет. Туннелдік диодтың статикалық вольтамперлік сипаттамасы (а),туннелдік диодтың токтар қосындысы бойынша толық вольтамперлік сипаттамасы (б)
