Тунельні і звернені діоди

Т уннельнимі є напівпровідникові діоди, в яких використовується тунельний ефект, який призводить до появи на прямий галузі ВАХ ділянки з негативним диференційним опором (рис. 4.3). Вони використовуються і в якості надшвидкісних перемикачів. Ці діоди виготовляють з сільнолегірованних (вироджених) арсеніду галію або германію. Ширина збідненого шару р-n-переходу тунельних діодів через велику концентрацію домішки дуже мала (близько 10 нм, тобто в сотні разів менше, ніж у інших діодів). Крім того, рівні Фермі вироджених областей знаходяться в зоні провідності і валентній зоні. Теорія і експеримент показують, що при зворотних і невеликих (близько 100 ... 200 мВ) прямих напругах з'являється додатковий струм, який пояснюється квантової природою тунельного ефекту. При цьому ефекті частинка (електрон) здатна пройти крізь потенційний бар'єр без зміни своєї енергії на вільний енергетичний рівень.

На рис. 4.3 крім ВАХ показані зонні діаграми, відповідні характерних точках ВАХ, і вказані напрямки руху носіїв. При збільшенні прямої напруги тунельний струм спочатку зростає і досягає максимального значення. При подальшому збільшенні тунельний струм спадає до нуля, але при цьому починає збільшуватися прямий струм, відповідний інжекції носіїв і визначається проходженням над потенційним бар'єром. Таким чином, прямий струм тунельного діода являє собою суму спочатку наростаючого, а потім падаючого до нуля при збільшенні U тунельного струму і звичайного, пов'язаного з інжекцією, тобто дифузійного струму. В результаті цього на ВАХ з'являється ділянка спаду прямого струму (М-образна ВАХ). При подачі зворотної напруги тунельний зворотний струм різко зростає, приводячи до туннельному пробою (див. § 3.5.3).

Т уннельний ефект розвивається за 10 ^-14... 10 ^-13 c, тому тунельні діоди можуть використовуватися на НВЧ. Частотний межа роботи таких діодів обмежується тільки власних реактивних (ємностями р-n-переходу і корпусу), а також індуктивністю виводу.

Тунельний діод являє собою напівпровідниковий прилад, що працює при малих напругах (десяті частки вольта) і відносно невеликих токах (одиниці міліампер).

При зниженні ступеня легування однієї з областей сільнолегірованного р-n-переходу тунельний ефект проявляється слабо і тунельний струм прямої гілки ВАХ стає незначним. Діоди, що володіють великим тунельним зворотним і малим тунельним прямим струмами, називаються оберненими (рис. 4.4) і використовуються в схемах перемикання в наносекундному і пикосекундной діапазонах, а також для детектування НВЧ-сигналів.

Основними параметрами ВАХ тунельних діодів є:

піковий струм і ток западини - Прямі струми в точках максимуму та мінімуму ВАХ, а також відповідні цим струмам напруги піку і западини ;
напруга розчину (раськрива) , При якому струм при збільшенні прямої напруги стає рівним піковому току ;
негативне диференціальний опір (Десятки - сотні ом). Для тунельних діодів з германію / = 4 ... 6, = 40 ... 100MB, = 300 ... 450 мВ, а з арсеніду галію / до 10 і вище, = 100 ... 200 мВ, = 400 ... 600 мВ.