Туннельные диоды

УГО –

Туннельный диод – это полупроводниковый прибор, в котором используется туннельный механизм переноса носителей заряда через р-n переход при прямом напряжении на нём и в ВАХ которого имеется область отрицательного дифференциального сопротивления.

Явление туннельного эффекта в полупроводниках было открыто в 1958г. Японским ученым Лео Есаки.

Туннельный эффект заключается в том, что электроны проходят через потенциальный барьер p-n перехода, не изменяя своей энергии.

Для получения туннельного эффекта используется полупроводниковый материал (Gе, GaAs) с очень большой концентрацией примесей (до 10²¹ примесных атомов в 1см³), в то время, как для обычных полупроводников 10¹⁵/см³. Полупроводники с таким высоким содержанием примесей называются вырожденными. При этом ширина p-n перехода оказывается очень малой (не более 0,01мкм), что приводит к значительному повышению напряженности электрического поля на переходе (около 10⁸В/м). В этих условиях имеется конечная вероятность того, что электрон, который движется к очень узкому переходу, пройдет сквозь него (как через «туннель») и займет свободное состояние с такой же энергией по другую сторону от барьерного слоя.

Как известно, в вырожденных полупроводниках уровни Ферми расположены внутри зоны проводимости полупроводников n- типа и внутри валентной зоны для полупроводников p-типа.

При , уровни Ферми совпадают, т.к. величина энергии на уровни Ферми должна быть одинаковой по всей структуре (а).

Внутри p-n перехода границы энергетических зон полупроводников p- и n- типов искривляются.

Между границей W_в полупроводника p- типа и границей W_п полупроводника n -типа образуется зона перекрытия. В этой зоне разрешенные уровни в разных полупроводниках расположены друг против друга. При этом возникают условия для туннельного перехода электронов из одного слоя в другой сквозь потенциальный барьер. Однако, для этого необходимо, чтобы против уровня в n- области, занятого электроном, имелся свободный уровень в p- области (за барьером). При (рис.а) такой возможности фактически нет (ниже уровня все уровни заняты), в результате ток через переход равен нулю.

Если к переходу приложить небольшое прямое напряжение (рис.б), энергетическая диаграмма полупроводников n-типа поднимется вверх, а p -типа – опустится вниз. В этом случае уровни некоторых электронов n -области расположатся против свободных уровней валентной зоны p-области, и возникнут условия для туннельного перехода электронов из электронного полупроводника в дырочный.

Через p-n переход потечет туннельный ток, величина которого будет зависеть от величины . Следует иметь ввиду, что при кроме туннельного тока течет и диффузионный ток, хотя он и очень мал, следовательно полный прямой ток через переход будет:

ВАХ p-n перехода с туннельным эффектом:

Основной особенность ВАХ туннельного перехода является наличие падающего участка характеристики (участок АВ). Эта особенность объясняется следующим образом: увеличение прямого напряжения, с одной стороны, увеличивает туннельный ток (участок ОА), а с другой, - уменьшает напряженность поля в p-n переходе. При , когда напряженность поля в переходе резко снижается, туннельный ток прекращается. При (рис.в) ВАХ соответствует уменьшению туннельного тока, при ВАХ соответствует в основном диффузионному току через p-n переход (туннельный ток становится равным нулю).

При подаче на p-n переход обратного напряжения (, рис.г) энергетическая диаграмма полупроводника n-типа опускается вниз, а p-типа – поднимается вверх. Ширина зоны перекрытия увеличивается, что приводит к росту обратного туннельного тока, поскольку возникают условия для свободного туннельного перехода валентных электронов p- обрасти в зону проводимости n -области. I_обр. зависит от U_обр., поэтому односторонняя проводимость p-n перехода при туннельном эффекте полностью отсутствует.

На участке АВ ВАХ p-n переход оказывает переменному току некоторое отрицательное сопротивление (дифференциальное) –

Отрицательное дифференциальное сопротивление служит удобным математическим символом, а не реальной физической величиной.

Уменьшение тока с ростом напряжения эквивалентно сдвигу фазы на 180˚. Поэтому мощность переменного сигнала, равная произведению тока на напряжение, на участке АВ будет иметь отрицательный знак. Это показывает, что туннельный диод на участке АВ не потребляет мощности переменного сигнала, а отдает её во внешнюю цепь.

С помощью отрицательного сопротивления можно скомпенсировать потери, вносимые в схему положительным сопротивлением и, т.о., в зависимости от поставленной задачи осуществить усиление, преобразование и генерирование незатухающих электрических сигналов.