В основу туннельных диодов положено структуру p+-n-, то есть туннельные диоды получают на основе сильнолеггированых (вырожденных) полупроводников. Концентрация примесей в областях p и n достигает 1019...1020 см-3, в результате чего ширина переходов туннельных диодов на два порядка меньше, чем у обычных, и не превышает 10-2мкм. При таких условиях создается возможность туннелирования носителей заряда через потенциальный барьер p-n перехода. Для изготовления туннельных диодов используют такие полупроводниковые материалы: германий, кремний, арсенид галлия, антимонид индия.
Основная особенность туннельных диодов - наличие отрицательного дифференциального сопротивления на некотором участке прямой ветки ВАХ. Попробуем это объяснить.
С увеличением концентрации донорных и акцепторных примесей вследствие взаимодействия атомов примесные уровни расщепляются, образовывая зоны, которые могут сливаться с зоной приводимости или валентной зоной полупроводника. Уровень Ферми приближается ко дну зоны приводимости в полупроводнике n-типа и к "потолку" валентной зоны в проводнике p-типа. При некоторой достаточно большой концентрации уровень Ферми может оказаться в средине собственных зон, то есть происходит "вырождение" полупроводника. В соответствии со статистикой Ферми-Дирака энергетические уровни в областях p и n, ниже уровня Ферми, практически полностью заняты, а те что выше уровня Ферми - практически свободны. В p-n переходах на основе вырожденных полупроводников искривление энергетических уровней настолько велико, что происходит перекрывание зон, то есть в некотором интервале энергий допустимые уровни валентной зоны области p имеют ту же энергию, что и допустимые уровни зоны проводимости в области n. Так как эти уровни разделены узким потенциальным барьером, то оказывается возможным туннельный переход электронов на свободные уровни из одной области в другую. Без сместительного напряжения на диоде устанавливается такое состояние, когда вероятность туннельного перехода электронов из области p в n-область и из n-области в p-область оказывается одинаковой, и суммарный ток через диод равен нулю(точка 0 на ВАХ, а на энергетической диаграмме).
Вольт-амперная характеристика туннельного диода
При подаче на диод сместительного напряжения в обратном направлении высота потенциального барьера p-n перехода увеличивается и увеличивается перекрытие энергетических зон в соседних областях. Свободные уровни зоны проводимости n-области размещаются напротив занятых уровней валентной зоны p-области, а занятые уровни зоны проводимости n-области - напротив полностью занятых уровней валентной зоны p-области. (б на рисунке). При этом вероятность перехода электронов из валентной зоны p-области увеличивается, а вероятность обратного перехода уменьшается. Равновесие нарушается и через диод будет проходить туннельный ток в обратном направлении (точка 1 на ВАХ). Значение этого тока резко увеличивается в с повышением обратного напряжения, так как при этом все большее количество электронов из валентной зоны p-области может туннелировать в зону проводимости n-области.
С подачей на диод напряжения в прямом направлении вследствие уменьшения потенциального барьера перекрытие зон уменьшается. Часть заполненных уровней зоны проводимости n-области размещается напротив зоны свободных уровней валентной зоны p-области (в на зонной диаграмме). Поток электронов из зоны проводимости в валентную зону увеличивается, а обратный поток уменьшается. Через диод проходит прямой туннельный ток(точка 2 на ВАХ). С повышением напряжения увеличивается количество занятых уровней зоны проводимости, которые перекрываются с свободными уровнями валентной зоны, и прямой ток растет. При некотором прямом напряжении Up, когда уровень Ферми в зоне проводимости будет напротив верха валентной зоны, полностью занятые уровни зоны проводимости n-области максимально перекрываются со свободными уровнями валентной зоны p-области(г на зонной диаграмме), и туннельный ток диода в прямом направлении достигает максимума (точка 3 на ВАХ). Далее с повышением напряжения туннельный ток начинает уменьшатся(точка 4 на ВАХ), то есть появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Причина уменьшения туннельного тока состоит в том, что при U>Up часть занятых уровней в зоне проводимости перестает перекрываться со свободными уровнями валентной зоны (д на зонной диаграмме) и размещается напротив запрещенной зоны p-области. Когда напряжение на диоде будет равно Uv, перекрытии зон прекратится (г на зонной диаграмме) и туннельный ток будет равен нулю(точка 5 на ВАХ). Дальнейшее повышение напряжение снижает потенциальный барьер настолько, что оказывается возможным переход носителей над барьером, то есть появляется диффузионный ток, который растет с повышением напряжения так же, как и в обычном диоде.
В реальных туннельных переходах при напряжении Uv ток никогда не будет равен нулю, так как при этом напряжении уже возможна небольшая диффузия и кроме того, еще присутствует туннельная составляющая тока. Последняя вызвана наличием в запрещенной зоне системы допустимых уровней(уровней дефектов примесей которые глубоко находятся), из них возможно туннелирование. Этот ток называют избыточным.
