МНВЧ

Лекция 11

Полупроводниковые приборы с отрицательным дифференциальным

сопротивлением (туннельные диоды, лавинно-пролетные диоды,

диоды Ганна)

Туннельные диоды

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

Работа этих диодов основана на туннельном эффекте, который объясняется наличием у электрона волновых свойств. Эффект состоит в том, что благодаря волновым свойствам электрон при определенных условиях может пройти через потенциальный барьер, не меняя своей энергии. При этом на другой стороне барьера должен быть свободный разрешенный энергетический уровень. Необходимым условием туннельного эффекта является также малая ширина потенциального барье­ра − порядка 0,01 мкм. Наиболее благоприятные условия для туннельного эффекта создаются в резких р-n-переходах при высоких уровнях легирования р- и n-областей структуры, когда запорный слой имеет малую ширину.

Туннельные диоды создают на р-n-переходах в вырожден­ных полупроводниках. Концентрации примесей в n- и р-областях таких переходов находятся в пределах 10¹⁹…10²¹ см^-3. Благодаря этому ширина р-n-пехода туннельного диода состав­ляет обычно 0,01…0,02 мкм, что создает необходимые условия для движения носителей заряда через потенциальный барьер за счет туннельного эффекта.

ВАХ туннельного диода (рис. 1) не похожа на характе­ристики обычных диодов. При подаче на него обратного напря­жения диод не запирается, а наоборот − через него протекает большой обратный ток. Прямая ветвь ВАХ имеет «падающий» участок (бвг), на котором при увеличении напряжения ток уменьшается. Это участок отрицательного дифференциального сопротивления, так как для него

.

Для того, чтобы объяснить ВАХ туннельного диода необ­ходимо рассмотреть энергетические диаграммы р-n-перехода на вырожденных полупроводниках при различных внешних напряжениях (рис. 2). В вырожденных полупроводниках в результате очень большой концентрации примесей отдельные примесные разрешенные уровни расщепляются в примесные зоны. Эти зоны соединяются с ближайшими разрешенными зонами − зоной проводимости в полупроводнике n-типа и ва­лентной зоной в полупроводнике p-типа. Уровень Ферми W_F, определяющий среднюю энергию носителей заряда в кристалле, оказывается расположенным в разрешенной зоне. В полупровод­нике n-типа он находится в зоне проводимости, т. е. несколько выше уровня W_n. В полупроводнике р-типа уровень Ферми на­ходится в валентной зоне, т. е. ниже уровня W_B.

Рис. 1. Вольтамперная характеристика туннельного диода

Зонная энергетическая диаграмма p-n-перехода туннельно­го диода в состоянии термодинамического равновесия показана на рис. 2 при U = 0, т. е. при отсутствии внешнего напря­жения. В этом состоянии уровень Ферми одинаков для всего кристалла. Это приводит к тому, что на зонной диаграмме наблюдается как бы «перекрытие» разрешенных зон − дно зоны проводимости W_n n-слоя лежит ниже потолка валентной зоны W_B р-слоя. В зоне проводимости n-слоя уровни, занятые электронами (показаны серым цветом), в основном, между W_n и W_F (участок А). В валентной зоне р-слоя уровни, свободные от электронов, т. е. занятые дырками, тоже, в основном, меж­ду W_B и W_F (участок В).

В состоянии термодинамического равновесия при U = 0 ток через p-n-переход не течет, т. к. для туннельного эффекта нет необходимых условий. На зонной диаграмме видно, что напро­тив занятых электронами уровней расположены тоже занятые уровни. На ВАХ это состояние соответствует точке − началу координат.

Пусть теперь на р-n-переход подано небольшое прямое напряжение (точка а на рис. 1). При этом потенциальный барьер несколько снижается. Энергетические зоны на зонной диаграмме смещаются так, что напротив занятых уровней зоны проводимости n-полупроводника оказываются свободные уровни валентной зоны р-полупроводника (рис. 2,а). Этим создаются условия для туннельного перехода электронов из n-полупроводника в р-полупроводник. Возникает ток, который называют туннельным. В этом случае через переход протекает и обычный диффузионный ток, но его значение мало по сравнению со зна­чением туннельного тока. Это обусловлено высоким потенциаль­ным барьером для основных носителей заряда.

Рис. 2. Зонные диаграммы p-n-перехода туннельного диода

При некотором прямом напряжении U_n (напряжение «пика» ВАХ) (точка б на рис. 1) положение энергетических зон таково, что участок А с занятыми уровнями оказывает­ся напротив участка В со свободными уровнями (рис. 2,б). Туннельный ток в этой точке достигает максимума и называ­ется пиковым током I_п.

При дальнейшем увеличении прямого напряжения (точка в на рис. 1) перекрытие участков А и В уменьшается (рис. 2,в). Часть занятых электронами уровней в зоне проводимости n-полу­проводника оказывается напротив запрещенной зоны и не может участвовать в туннельном токе. Значение туннельного тока падает, что и обусловливает наличие падающего участка на ВАХ.

Начиная с напряжения U_B (напряжение «впадины» (рис. 1,г) участки А и В совсем не «перекрываются» (рис. 2,г). Все уровни, занятые электронами, находятся напротив запрещенной зоны. Туннельный ток прекращается. Протекающий при этом небольшой ток I_в, называемый током впадины, имеет диффузи­онную природу. Он обусловлен диффузией основных носителей через потенциальный барьер, как и в обычных р-n-переходах. Если прямые напряжения превышают величину U_B, то харак­теристика туннельного диода не отличается от характеристики обычного р-n-перехода.

При обратных напряжениях (точка д на рис. 1) увели­чивается высота потенциального барьера р-n-перехода. Занятые уровни валентной зоны р-слоя оказываются напротив свободных уровней зоны проводимости n-слоя (рис. 2,д). Это создает ус­ловия для протекания значительного туннельного тока. Причем с ростом обратного напряжения указанное перекрытие уровней увеличивается и ток резко возрастает.

Параметры туннельного диода определяются координатами экстремальных точек его ВАХ (рис. 1):

− пиковый ток I_п − прямой ток в точке максимума ВАХ; величина его может быть от долей мА до сотен мА;

− ток впадины I_в − прямой ток в точке минимума ВАХ;

− отношение токов I_п/I_в. Для диодов из разных матери­алов это отношение может быть от нескольких единиц (для германиевых диодов) до 10 и больше (для диодов из арсенида галлия);

− напряжение пика U_п; имеет величину от нескольких де­сятков милливольт до ста и более милливольт для диодов из разных материалов;

− напряжение впадины U_B; величина его − несколько со­тен милливольт в зависимости от материала;

− дифференциальное сопротивление r_диф на падающем учас­тке ВАХ; модуль этого сопротивления для разных диодов имеет величину от единиц Ом до нескольких сотен Ом;

− предельная резистивная частота f_рез − такая частота, до которой на внешних выводах туннельного диода обнаружи­вается отрицательное дифференциальное сопротивление.