Туннельные диоды

Схемы для исследования характеристик стабилитронов

На рис. 2.2.1 показаны схемы для снятия прямых и обратных характеристик стабилитрона. Балластное сопротивление R_б в схеме на рис. 2.2.1,б равно 200 Ом. Эта же схема служит для измерения коэффициента стабилизации.

В квантовой механике известен так называемый туннельный эффект, заключающийся в том. что микрочастица с массой m и кинетической энергией Е может проникнуть за потенциальный барьер высотой U и шириной х - х , хотя высота барьера U > E.

Туннельный диод – это полупроводниковый диод на основе вырожден-ного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольтамперной характеристике при прямом напряжении участка отрицательной дифференциальной проводимости.

В отличие от всех остальных полупроводниковых диодов для изготовле-ния туннельных диодов используют материал с очень большой концентрацией примесей (10¹⁸- 10²⁰ см^-3). Следствием большой концентрации примесей в прилегающих к электронно-дырочному переходу областях является, во-первых, малая толщина перехода (около 10мкм), т.е. на два порядка меньше, чем в других полупроводниковых диодах. Сквозь такие тонкие потенциальные барьеры возможно туннелирование носителей заряда.

Другим следствием большой концентрации примесей является расщепление примесных энергетических зон, которые примыкают к зоне проводимости в n -области и к валентной зоне в р -области. Уровни Ферми при этом оказываются расположенными в разрешенных областях (рис.3.1.1, а). В диоде без внешнего напряжения существует туннелирование электронов из n-области в р -область и обратно. Встречные потоки равны, поэтому суммарный ток через диод равен нулю

При обратном подключении внешнего напряжения к туннельному диоду также существуют условия для туннелирования электронов (рис.3.1.1, б). Э Возникающий при этом обратный ток будет расти с увеличением обратного напряжения по абсолютному значению. Таким образом, туннельный диод обладает относительно высокой проводимостью при обратном напряжении. Можно считать, что у туннельного диода при ничтожно малый обратных напряжениях происходит туннельный пробой.

При небольшом прямом напряжении на туннельном диоде происходит уменьшение высоты потенциального барьера электронно-дырочного перехода или смещение энергетической диаграммы n -области относительно энергетической диаграммы р -области. Свободные энергетические уровни р -области (занятые дырками), расположенные непосредственно над уровнем Ферми, оказываются на одной высоте по энергетической диаграмме или при одних и тех же значениях с энергетическими уровнями n -области, занятыми электронами. Поэтому будет происходить преимущественное туннелирование электронов из n -области в р -область.

При прямом напряжении на диоде, когда свободные энергетические уровни валентной и примесной зон р -области окажутся на одной высоте с занятыми электронами энергетическими уровнями зоны проводимости и примесной зоны c-области, туннельный ток через диод будет максимальным (рис.3.1.2., в).

При дальнейшем увеличении прямого напряжения на диоде туннельный ток через диод будет уменьшаться, так как из-за смещения энергетических диаграмм будет уменьшаться количество электронов, способных туннелировать из n -области в p –область.

Туннельный ток через диод окажется равным нулю при некотором еще большем прямом напряжении, когда из-за относительного смещения энергетических диаграмм n- и р -областей для свободных электронов n -области не будет свободных энергетических уровней в р -области (рис.3.1.1, г). Однако при этом через диод будет проходить прямой ток, обусловленный переходом носителей через понизившийся потенциальный барьер электронно-дырочного перехода, т.е. ток, связанный с инжекцией.

С дальнейшим увеличением прямого напряжения в связи с уменьшением высоты потенциального барьера прямой ток через туннельный диод будет возрастать, как в обычных выпрямительных диодах.

Итак, туннельный диод обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением в некотором диапазоне напряжений. Это является самым инте-ресным свойством туннельного диода, так как всякий прибор с отрицательным дифференциальным сопротивлением может быть использован для генерации и усиления электромагнитных колебаний, а также в переключающих схемах.