ТУНЕЛЬНЫЙ ДИОД И ПРИНЦИП ЕГО РАБОТЫ

В туннельных диодах носители заряда проходят сквозь потенциальный барьер за счет туннельного эффекта.

Туннельный эффект ­–явление прохождения носителей заряда через потенциальный барьер не изменяя своей энергии.

Практически это реализуется путем насыщения запрещенной зоны энергетическими уровнями дефектов таким образом, чтобы между дефектами электрон не встречал центров рассеивания. Например, если будет потенциальный барьер как показано на рис. а), то электроны и дырки будут отражаться от барьера не проходя через него, поскольку значение велико.

Однако если насытить кристалл атомами примесей до вырождения, тогда потенциальные поля примесных атомов будут взаимодействовать друг с другом, образуя энергетические зоны. С точки зрения энергетических диаграмм это означает, что в этих зонах всегда можно найти энергетические уровни одинаковой величины (см. рис.)

Запрещенная зона в этом случае будет представлять сумму последовательных запрещенных зон, причем барьер . Поэтому электрон легко перескакивает по этим уровням на другую сторону потенциального барьера p-n перехода. Туннельные диоды выполняются исключительно на вырожденных полупроводниках. Поэтому при обратном смещении вырожденные полупроводники могут сформировать значительные токи доли, единицы Ампер. Поэтому ВАХ туннельного диода при обратном смещении имеет вид

Причем ввиду малости , также мало. При прямом смещении согласно теории энергетических диаграмм, энергетические уровни будут менять свое положение. Например, если за точку отсчета возьмем левую часть диаграммы, то при прямом смещении правая пойдет вверх

До точки В чисто геометрически начинают сокращаться геометрически размеры области туннельного перехода и при достижении некоторого значения рост тока прекращается, до наступления равенства , характеризующего условие вырождения туннельного диода в обычный p-n переход. Следовательно, при прямом смещении должен формироваться диффузионный ток. В принципе он начал формироваться с нуля, однако в точке С туннельный ток стал равен диффузионному току. – напряжение при котором диффузионный ток стал равен туннельному. Туннельные диоды имеют ВАХ N-типа (см. рис.), где участок ВС характеризует отрицательную проводимость дифференциального типа, определяемую выражением:

Некоторые электронные приборы имеют ВАХ S-типа

В которых участок ВС отрицательное сопротивление . Приборы с отрицательной проводимостью и отрицательным сопротивлением обладают широкими функциональными возможностями, а именно:

1)малой инерционностью туннельного эффекта, которая распространяется вплоть до миллиметрового диапазона.

2)наличием широкополостности отрицательного сопротивления.

3)наличием резкой нелинейности ВАХ, что позволяет использовать их в усилителях, генераторах, смесителях с усилением в широком диапазоне длин волн вплоть до миллиметрового.

На туннельных диодах строятся схемы триггеров, мультивибраторов, переключателей с малыми временными переключениями. Поскольку туннельные диоды изготавливают на основе вырожденных полупроводников, то их параметры так же как у металлов практически не зависят от температуры. Современные туннельные диоды нормально работают при температурах от нескольких сотен , до близких к абсолютному нулю