Туннельным диодом называют полупроводниковый прибор, сконструированный на основе вырожденного полупроводника (т.е. полупроводника с большим содержанием примеси), в котором при обратном и небольшом прямом напряжении возникает туннельный эффект и вольт-амперная характеристика имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Устройство туннельных диодов в принципе почти не отличается от устройства других диодов, но для их изготовления применяют полупроводниковые материалы с большим содержанием примесей (до 1020 см-3). Вследствие этого удельные сопротивления областей р- и n-типов очень малы, а ширина р-n-перехода составляет примерно 0,02 мкм, что в сто раз меньше, чем в других полупроводниковых диодах. Напряженность электрического поля в таких p-n-переходах достигает огромной величины – до 106 В/см.

В вырожденных полупроводниках донорные и акцепторные уровни расщепляются в зоны, так как расстояния между примесными атомами невелики. Донорные уровни находятся в свободной зоне, а акцепторные – в валентной. Уровень Ферми лежит в разрешенной зоне (выше уровня дна свободной зоны и ниже уровня потолка валентной зоны), поэтому контактная разность потенциалов высока – энергия электрона близка к ширине запрещенной зоны.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода и его условное обозначение в схемах показаны на рис. 1.22, а. Рассмотрим с помощью зонной теории вид вольт-амперной характерис-тики. В равновесном состоянии системы (рис. 1.22, б) уровень Ферми постоянен для обеих областей полупроводникового диода, поэтому другие энергетические уровни искривляются настолько сильно, что нижняя граница дна свободной зоны области n-типа оказывается ниже верхней границы потолка валентной зоны области р-типа, и так как переход очень узкий, то носители заряда могут переходить из одной области в другую без затраты энергии, просачиваться сквозь потенциальный барьер (туннелировать).

Число электронов, переходящих в смежную область в секунду, достигает 1014 с-1, скорость их перемещения огромна – примерно 2.106 м/с (для сравнения – скорость света равна 3.108 м/с). В состоянии равновесия потоки электронов из области р в область n и в обратном направлении одинаковы. Одинаковы и потоки дырок. Поэтому результирующий ток равен нулю (рис. 1.22, а). Достаточно рассмотреть, например, туннельное движение электронов (при рассмотрении движения дырок процессы будут аналогичны). На рис. 1.22, б, в, г, д, е стрелки от электронов указывают на их способность перейти в смежную область.

Число электронов, энергия которых превышает уровень Ферми, невелико. С увеличением приложенного к р-n-переходу напряжения уровень Ферми в области n перемещается вверх относительно его положения в области р, а при обратном напряжении – вниз.

Рис. 1.22. Вольт-амперная характеристика, условное обозначение в схемах и энергетические диаграммы туннельного диода

Под воздействием внешнего поля энергетическая диаграмма изменится. При подключении к диоду прямого напряжения потенциальный барьер с ростом напряжения уменьшится. На энергетической диаграмме это будет соответствовать смещению уровня Ферми и энергетических зон относительно равновесного состояния, степень перекрытия потолка валентной зоны дном зоны проводимости уменьшится. При этом в свободной зоне области n-типа уровни, заполненные электронами (ниже уровня Ферми), окажутся против незаполненных уровней в валентной зоне области р-типа. До тех пор пока уровень Ферми в области n-типа будет лежать ниже потолка валентной зоны в области р-типа, число электронов, переходящих из области n-типа в область р-типа, будет больше, чем переходящих в обратном направлении. Результирующий ток будет увеличиваться и состоять из электронов области n-типа, где они являются основными. Его направление – из области р в область n. Максимальному значению тока (точка а на рис. 1.22, а) будет соответствовать такое состояние энергетических зон, когда уровень Ферми в свободной зоне n-типа и потолок валентной зоны области р-типа будут находиться на одном уровне (рис. 1.22, в). Результирующий ток будет состоять из электронов области n-типа и направлен от области р-типа к области n-типа.

При дальнейшем увеличении прямого напряжения туннельное перемещение электронов из n-области в р-область начнет убывать (рис. 1.22, г), т.е. будет убывать прямой ток. При этом убывание будет происходить до такого значения напряжения UB, при котором дно свободной зоны n-области окажется на одном уровне с потолком валентной зоны р-области. Ток при этом будет иметь минимальное значение (рис. 1.22, в).

Таким образом, на вольт-амперной характеристике туннельного диода появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок абв на рис. 1.22, а). При еще большем увеличении напряжения (выше ) туннельные переходы электронов станут невозможны (рис. 1.22, д), но носители заряда будут преодолевать потенциальный барьер за счет диффузии, и прямой ток будет возрастать, как у обычных диодов.

При подаче на туннельный диод обратного напряжения энергетическая диаграмма будет иметь вид, показанный на рис. 1.22, е. Вследствие того, что число электронов с энергией выше энергии уровня Ферми очень мало, количество электронов р-области, способных перейти в n-область, увеличивается, а в n-области оно останется почти неизменным, поэтому результирующий обратный ток будет протекать от n-области к р-области. Так как в глубине валентной зоны плотность электронов очень большая, то незначительное увеличение обратного напряжения и связанное с этим незначительное смещение энергетических уровней вызывают существенное увеличение числа электронов р-области, переходящих в n-область. Следовательно, обратный туннельный ток будет резко возрастать. Обратный ток у туннельных диодов во много раз больше, чем у других диодов, поэтому они не обладают вентильным свойством.

Следует отметить, что в туннельном диоде обратный и прямой токи обусловливаются также небольшими диффузионным током основных и дрейфовым током неосновных носителей заряда, поэтому результирующие обратный и прямой токи до точки в на вольт-амперной характеристике несколько больше, чем показано на рис. 1.22, а.

Основными параметрами туннельных диодов являются максимальные (точка а) и минимальные (точка в) значения токов на вольт-амперной характеристике и соответствующие им напряжения ( Ua и Uв); значение напряжения Uг, (точка г), соответствующее максимальному току в точке а, а также дифференциальное сопротивление , которое определяется примерно на середине участка с отрицательным сопротивлением (участок абв), общая емкость диода и максимальная частота.

Туннельные диоды обладают усилительными свойствами и могут работать в схемах (на участ-ке абв) как активные элементы. Они находят широкое применение в сверхбыстродействующих ЭВМ в качестве быстродействующих импульсных переключающих устройств (скорость перек-лючения составляет доли наносекунды) и в генераторах высокочастотных колебаний. На туннель-ных диодах создают схемы мультивибраторов, триггеров, которые служат основой для построения логических схем, запоминающих устройств, регистров и т.д. Высокая скорость переключения объясняется тем, что туннельные диоды обычно работают на участке вольт-амперной характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением, где механизм переноса зарядов связан с их туннельным смещением (через р-n-переход), скорость которого огромна. Туннельные диоды могут работать в широком диапазоне температур от 4 до 640 K, они просты по конструкции, малогабаритны. Туннельные диоды изготовляют на основе сильнолегированного германия или арсенида галлия, р-n-переход получают методом вплавления примесей.

• Назад
• Вперёд