8.6. Туннельные диоды

Туннельные диоды – это полупроводниковые диоды на основе вырожденных полупроводников, в которых туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперной характеристике при прямом включении участка отрицательной дифференциальной проводимости.

Отличительные особенности этих диодов: очень высокая (10¹⁸ – 10²⁰ см^–3) концентрация примесей в областях р- и п-типа, что приводит к вырождению полупроводников, и, как следствие, малые удельные сопротивления р- и п-областей и соответственно очень малая ширина р-п-перехода (около 10^–2 мкм). Носители зарядов имеют возможность переходить из одной области р-п-перехода в другую без изменения своей энергии (по «горизонтали»), т.е. не преодолевая потенциальный барьер. Это явление представляет собой туннельный эффект (см. раздел 3.7), отсюда происходит и название диодов.

На вольт-амперной характеристике туннельных диодов наблюдается участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 8.9).

Рис. 8.9. Вольт-амперная характеристика туннельного диода

Это и является самым интересным свойством туннельного диода, так как всякий прибор с отрицательным сопротивлением может быть использован для генерации и усиления электромагнитных колебаний, а также в переключающих схемах.

Туннельные диоды изготовляются из арсенида и антимонида галлия, антимонида индия и германия.

Эти приборы характеризуются следующими основными параметрами (см. рис. 8.9):

1. Пиковый ток I_п – прямой ток в точке максимума, его значение может составлять от десятых миллиампера до сотен миллиампер.

2. Ток впадины I_в – прямой ток в точке минимума.

3. Отношение токов туннельного диода I_п/I_в. Для туннельных диодов из арсенида галлия , для германиевых туннельных диодов I_п/I_в = 3 – 6.

4. Напряжение пика U_п – прямое напряжение, соответствующее пиковому току. Для диодов из арсенида галлия U_п = 100 – 150 мВ, для германиевых U_п = 40 – 60 мВ.

5. Напряжение впадины U_в – прямое напряжение, соответствующее току впадины. У туннельных диодов из арсенида галлия U_в 400 ‑500 = мВ, у германиевых U_в = 250 ‑300 мВ.

6. Напряжение раствора U_pp – прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому.

8.7. Переходные процессы в диодах

Переходные процессы в полупроводниковых диодах связаны в основном с двумя явлениями, происходящими при быстром изменении напряжения на диоде или тока через диод. Первое из них – это накопление неосновных носителей заряда в базе диода при его прямом включении и их рассасывание при уменьшении напряжения. Накопление в базе инжектированных через р-п-переход неосновных носителей (дырок) приводит к уменьшению сопротивления базы. Этот процесс модуляции сопротивления базы происходит не мгновенно, так как накопление дырок в базе диода связано с относительно медленным процессом диффузии их от р-п-перехода вглубь базы. Поэтому накопление носителей в базе и их рассасывание могут влиять на свойства диодов в режиме переключения.

Второе явление, происходящее в диодах при их переключении, ‑ это перезарядка барьерной емкости, что также происходит не мгновенно и поэтому может влиять на свойства диодов.

При сравнительно больших плотностях прямого тока через диод существенным является накопление неосновных носителей в базе, а перезарядка барьерной емкости диода будет второстепенным процессом. При малых плотностях тока переходные процессы в диоде определяются перезарядкой барьерной емкости, накопление же неосновных носителей заряда в базе практически не сказывается.

Временные зависимости напряжения и тока, характеризующие переходные процессы в полупроводниковых диодах, зависят также от сопротивления внешней цепи, в которую включен диод.