Туннельные диоды. ВАХ, участок с дифференциальным сопротивлением. Параметры, применение.

ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД (Эсаки диод) - полупроводниковый диод, содержащий p-n-переход с очень малой толщиной запирающего слоя. Действие Т. д. основано на прохождении свободных носителей заряда (электронов) сквозь узкий потенц. барьер благодаря квантовомеханич. процессу туннелирования (см. Туннельный эффект).Поскольку вероятность туннельного просачивания электронов через барьер в значит. мере определяется шириной области пространств. заряда в p-n-переходе, Т. д. изготовляют на основе вырожденных полупроводников (с концентрацией примесей до 1025- 1027 м-3). При этом получается резкий p-n-переход с толщиной запирающего слоя 5-15 нм. При изготовлении Т. д. обычно применяют Ge и GaAs; реже используют Si, InSb, In As, PbTe, GaSb, SiC и др. полупроводниковые материалы. Для германиевых диодов в качестве донорных примесей, как правило, используют P или As, в качестве акцепторных - Ga и Аl; для арсенид-галлиевых - Sn, Pb, S, Se, Те (доноры), Zn, Cd (акцепторы). Узкий р - n-переход получают чаще всего методом вплавления.

Первый Т. д. создан на основе Ge Л. Эсаки (L. Ezaki) в -1957. Изобретение Т. < д. экспериментальноподтвердило существование процессов туннелирования в твёрдых телах. Туннельный механизм переносазаряда обусловливает N- образный вид вольт-амперной характеристики Т. д. (рис. 1). На рис. 2 приведеныупрощённые энергетич. диаграммы p-n -перехода Т. д. при разл. напряжениях смещения U. В отсутствиевнеш. смещения (рис. 2, а)ферми-уровни в вырожденном (по обе стороны от перехода)полупроводнике находятся на одной высоте соответственно в валентной зоне и зоне проводимости (т. е.уровень Ферми постоянен по всему полупроводнику). Примем, что все разрешённые энергетич. уровни, расположенные ниже уровня Ферми, заняты, а расположенные выше него - свободны. Тогда приU=0туннельный переход невозможен и ток I равен нулю (точка А на рис. 1). Если на Т. д. подать небольшоепрямое напряжение, то происходит уменьшение высоты потенц. барьера или смещение энергетич. уровнейp -области относительно энергетич. уровней n -области (рис. 2, б). В этом случае электроны проводимости изn -области туннелируют сквозь потенц. барьер (не меняя своей энергии) на разрешённые свободныеэнергетич. уровни валентной зоны p -области - в Т. д. появляется туннельный ток I т, направление к-рогопротивоположно направлению движения электронов (точка Б на кривой 2, рис. 1). С увеличением U ток Iсначала растёт до значения I макс (точка В на кривой 2, рис. 1), а затем (по мере того как уменьшаетсястепень перекрытия зоны проводимости и-области и валентной зоны p -области) убывает. Начиная с нек-рого значения U мин, эти зоны не перекрываются (рис. 2, в)и туннельный ток прекращается (точка Г накривой 2, рис. 1); через р - n -переход течёт только диффуз. ток I д. При U> U мин Т. д. подобен обычномуполупроводниковому диоду, включённому в прямом направлении. При подаче напряжений обратногонаправления (рис. 2, г) в Т. д. существует ток за счёт электронов, туннелирующих из валентной зоны p -области на свободные разрешённые энергетич. уровни зоны проводимости и-области; этот ток быстровозрастает с увеличением обратного напряжения.

Рис. 1. ВАX туннельных диодов на основе Ge (1)и GaAs (2): U- напряжение смещения на туннельномдиоде; I/I макс -отношение тока через диод к току в максиме ВАX; I мин -ток в минимуме ВАX(отнесённый к I макс); U макс и U мин -напряжения смещения, соответствующие токам I макс и I мин; I т -туннельный ток; I д -диффузионный (тепловой) ток.

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.

Электронно-дырочный переход в вырожденных полупроводниках (туннельный диод) имеет вольтамперную характеристику N-типа. Включение его в цепь приводит к возникновению в цепи неустойчивости и генерации колебаний. Амплитуда и частотный спектр колебаний определяются параметрами внешней цепи и нелинейностью вольт-амперной характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Наличие такого участка позволяет использовать туннельный диод в качестве быстродействующего переключателя.