1.2. Туннельные диоды

Туннельным называется полупроводниковый диод, в котором используется туннельный механизм переноса носителей заряда через электронно-дырочный переход и в характеристике которого имеется область с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Туннельный эффект заключается в следующем: если ширина p-n перехода очень узкая (сравнима с длиной волны электрона), то имеется вероятность, что часть электронов сможет пройти через потенциальный барьер против сил электрического поля даже, если их энергия меньше величины потенциального барьера.

Рассмотрим механизм туннельного эффекта с помощью энергетических диаграмм, которые представлены на рис. 3.

Мы рассматриваем энергетические диаграммы сильно легированного полупроводника при различных приложенных к нему напряжениях.

Вследствие высокой концентрации примесей локальные уровни в такой структуре превращаются в сплошную зону, а уровень Ферми смещается в зону проводимости в n-области и в валентную зону в p-области. Полупроводники такого типа называются вырожденными.

На рисунке зачерченными кружочками показаны электроны, а стрелками – направления их возможного перемещения.

При отсутствии внешнего смещения (рис. 3а) уровень Ферми, являющийся общим для донорной (n-области) и акцепторной (p-области) областей, представляет из себя прямую линию. При определенной температуре все уровни, находящиеся выше уровня Ферми, частично заполненные электронами, а уровни находятся ниже уровня Ферми, полностью заполненные электронами. Вследствие туннельного эффекта электрон, например, из n-области может перейти в смежную p-область, заняв свободный уровень в примесной акцепторной зоне с такой же энергией, и наоборот. Когда внешнее смещение равно нулю эти потоки электронов равны и результирующий ток через переход равен нулю.

Р ис. 3. Энергетические диаграммы p-n перехода в туннельном диоде туннельный диод обычный диод

Если к переходу приложить небольшое прямое напряжение (рис. 3,б), то высота потенциального барьера и перекрытие валентной зоны p-области и зоны проводимости n-области уменьшаются. Поскольку количество экранов, энергия которых превышает уровень Ферми, невелико, то потоки электронов из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области уменьшается, а обратный поток увеличивается. Появляется результирующий ток через переход (I_I), который увеличивается с ростом U_пр (участок характеристики 0 – 1 на рис. 3). Максимум результирующего тока U_max через переход соответствует случаю, когда уровень Ферми совпадает с потолком валентной зоны (рис. 3,в).

При дальнейшем увеличении прямого напряжения (рис. 3,г) уменьшается перекрытие зон и уменьшается число электронов, перешедших из зоны проводимости n-области в валентную зону p-области. Прямой ток убывает (I₂  I_max). На вольтамперной характеристике появляется падающий участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

При напряжении U_{I min} (рис. 3,д) перекрытие зон исчезает, запрещенная зона становится «сквозной», и туннельный ток прекращается, Это соответствует минимуму тока туннельного диода. При этом начинает сказываться диффузия носителей через переход, так как высота потенциального барьера резко снижается.

Дальнейшее увеличение прямого напряжения (рис. 3,е) приводит к еще большему снижению потенциального барьера и увеличение диффузионного тока, который экспоненциально зависит от приложенного напряжения, как и в обычном диоде.

Если к диоду приложить обратное напряжение (рис. 3,ж) то вследствие увеличения перекрытия между валентной зоной p-области и зоной проводимости n-области туннельный ток электронов из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области увеличивается с увеличением обратного напряжения, и обратное сопротивление туннельного диода весьма мало. Основными параметрами туннельных диодов являются: пиковый ток (I_max) и ток впадины (I_min) и соответствующие им напряжения пика U_{I max} и впадины U_{I min}, напряжение раствора (прямое напряжение на второй восходящей ветви при токе, равном пиковому), максимальное напряжение переключения (напряжение скачка), снимаемое с диода , и отрицательное дифференциальное сопротивление

Наличие в характеристике туннельного диода участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением позволяет использовать его в генераторах, усилителях, переключающих схемах.

Туннельные диоды изготавливаются из германия, кремния и арсенид галлия. Наиболее перспективным материалом является арсенид галлия.