Туннельный пробой. Туннельный диод

Пробоем p-n перехода называется явление резкого увеличения обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического значения. Различают электрический и тепловой пробои p-n перехода. В свою очередь, электрический пробой разделяется на туннельный и лавинный пробои.

Если p и n области сильно легированы, то ширина ОПЗ становится малой и за счет туннельного эффекта появляется конечная вероятность для электронов из валентной зоны проникнуть в зону проводимости, преодолев барьер, который возникает в сильном электрическом поле. Для туннельного эффекта характерно то, что электроны после преодоления энергии не изменяют своей энергии, следовательно для того, чтобы этот эффект имел место, электрическое поле должно быть настолько сильным, чтобы обеспечить такой наклон зон, при котором заполненные электронами уровни валентной зоны оказались напротив незаполненных энергетических уровней разрешенной зоны рис. 38. Пунктиром на рисунке показан потенциальный барьер, который должен преодолеть один из электронов.

Форма потенциального барьера обусловлена полем p-n перехода. На рис. 1 схематически изображен волновой пакет при туннелировании через потенциальный барьер треугольной формы.

Рис.1

Поскольку туннельный механизм перехода носителей имеет место только при малой ширине ОПЗ, то для этого типа пробоя характерны невысокие пробивные напряжения. К отличительным особенностям туннельного пробоя следует также отнести сравнительно слабую зависимость от температуры напряжения пробоя.

Рис. 2. Энергетическая диаграмма, поясняющая возникновение свободных носителей заряда при туннельном переходе.

В зависимости от мощности и назначения диода толщина электронно-дырочного перехода может находиться в пределах от 100 нм (нанометров) до 1 мкм (микрометр).

Для туннельного пробоя характерен резкий рост обратного тока при незначительном обратном напряжении – обычно несколько вольт. На основе этого эффекта работают туннельные диоды.

Туннельный диод — полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором при приложении напряжения в прямом направлении, туннельный эффект проявляется в появлении участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольт-амперной характеристике.

Впервые туннельный диод был изготовлен на основе Ge в 1957 году Лео Эсаки, который в 1973 году получил Нобелевскую премию по физике за экспериментальное обнаружение эффекта туннелирования электронов в этих диодах.

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.3, представляющий схему замещения диода на падающем участке ВАХ для малых изменений тока и напряжения на диоде).

Рис. 3

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;

КШ – шумовая постоянная туннельного диода, определяющая коэффициент шума диода;

rП – сопротивление потерь, включающее сопротивление кристалла, контактных соединений и выводов.

Разновидностью туннельного диода является обращенный диод. 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. Обозначения туннельного и обращенного диодов даны в таблице 1.

Туннельный диод
Обращенный диод

Таблица 1

Благодаря своим свойствам туннельные диоды используются в усилителях, генераторах синусоидальных релаксационных колебаний и переключающих устройствах на частотах до сотен и тысяч мегагерц.