Туннельный диод

Обычные диоды при увеличении прямого напряжения монотонно увеличивают пропускаемый ток. В туннельном диоде квантово-механическое туннелирование электронов добавляет горб в вольтамперную характеристику, при этом, из-за высокой степени легирования p и n областей, напряжение пробоя уменьшается практически до нуля. Туннельный эффект позволяет электронам преодолеть энергетический барьер в зоне перехода с шириной 50..150 Å при таких напряжениях, когда зона проводимости в n-области имеет равные энергетические уровни с валентной зоной р-области.^[1]

При дальнейшем увеличении прямого напряжения уровень Ферми n-области поднимается относительно р-области, попадая на запрещённую зону р-области, а поскольку тунелирование не может изменить полную энергию электрона^[2], вероятность перехода электрона из n-области в p-область резко падает. Это создаёт на прямом участке вольт-амперной характеристики участок, где увеличение прямого напряжения сопровождается уменьшением силы тока. Данная область отрицательного дифференциального сопротивления и используется для усиления слабых сверхвысокочастотных сигналов.

Первый туннельный диод был изготовлен в 1957 из германия; однако вскоре после этого были выявлены др. полупроводниковые материалы, пригодные для получения туннельного диода: Si, InSb, GaAs, InAs, PbTe, GaSb, SiC и др. В силу того что туннельный диод. в некотором интервале напряжений смещения имеют отрицательное дифференциальное сопротивление и обладают очень малой инерционностью, их применяют в качестве активных элементов в высокочастотных усилителях электрических колебаний, генераторах и переключающих устройствах.

Основные параметры, вах туннельного диода и его эквивалентная схема.

Рис.

Большинство основных электрических параметров туннельного диода определяется из его вольтамперной

характеристи­ки (см. рис. 8):

I₁ — максимальный туннельный ток, или пиковый ток;

I₂ — минимальный ток;

ΔI= I₁₋ I₁ — перепад токов;

u₁ — напряжение, соответствующее максимально­му току;

u₂ — напряжение, соответствующее минимально­му току;

u₃ — напряжение, соответствующее диффузион­ному току, равному току максимума;

Δu= u₃ −u₁ —скачок напряжения при

переходе с туннель­ной ветви характеристики на диффузионную;

Δu₂ ≈u₂ — скачок напряжения при

переходе с диффузи­онной ветви на туннельную.

Производными параметрами являются величина отноше­ния тока максимума к току

минимума I₁/I₂ и средняя величина

отрицательного сопротивления на падающем участке вольт­амперной характеристики туннельного диода. Дополнительные параметры могут быть получены из экви­валентной схемы туннельного диода в области отрицательного сопротивления (рис. 9). Верхняя часть схемы содержит эле­менты собственно диода, а нижняя — элементы внешней цепи

туннельного диода. Здесь R_- представляет собой отрицательное сопротивление туннельного дио­да; С — емкость p-n -перехода, шунтирующая это сопротивление; r — объемное сопротивление ма­териала прибора; L — индуктив­ности выводов; r_вн, L_вн —элемен­ты, учитывающие параметры внешних проводов и внутренние параметры источника. Следует отметить, что из-за сильного ле­гирования материала время жиз­ни носителей будет очень мало, а значит будет мала и диф­фузионная емкость. Основную долю емкости C будет состав­лять емкость p-n-перехода, которая зависит от напряжения на переходе следующим образом:

где Cо — значение емкости при нулевом напряжении на пере­ходе; φ_k — контактная разность потенциалов. Важным параметром туннельного диода, позволяющим сравнивать приборы, изготовленные из различных материалов, является отношение тока максимума диода к емкости I₁/C, на­зываемым фактором качества.