4. Зонная модель проводимости туннельного диода.

Современные технологии позволяют получать полупроводники с наперед заданными свойствами путем введения специальных примесей (легирование) с высокой концентрацией примесей порядка 10²⁴м^-3. Предположим, что нам удалось создать два типа полупроводников и типа, таких, что уровень Ферми для электронов лежит в зоне проводимости для области и в валентной зоне для области (рис.3).

Зона проводимости

Зона проводимости

Уровень

Ферми F_n

Запрещенная зона













Запрещенная зона

Валентная зона



F_p

Валентная зона

























(n)

(p)

Рис.3 Зонная структура уровней p- и n-полупроводников.

Рассмотрим контакт двух таких полупроводников, между которыми образуется переходный слой ( переход) шириной порядка . Рассмотрим переход электронов через переход. Вследствие взаимной диффузии частиц электронные уровни в области поднимутся, а в области опустятся, переход будет происходить до тех пор, пока не выравниваются уровни Ферми . В зоне контакта в области из-за ухода электронов возникнет положительный заряд, в области – отрицательный. Электрическое поле этих зарядов приводит к возникновению на переходе потенциального барьера (рис.4), условно показанном на рисунке двойной штриховкой.

Если к переходу приложить внешнее поле в прямом направлении (минус к области, плюс  к области), т.е. противоположно внутреннему, то смещение зон уменьшится. Тогда часть занятых состояний в области будет находиться на одном уровне (перекроется) с незанятыми состояниями в области (рис.5). Следовательно, электроны из области смогут переходить на свободные уровни в валентной зоне области, но преодолеть барьер они смогут единственным способом  туннелированием. Если внешнее напряжение увеличивать, то будет увеличиваться и степень перекрытия занятых и свободных уровней и будет соответственно расти количество туннелирующих из в область электронов. Заметим, что перехода электронов из в область не произойдет, так как в области нет свободных уровней, следовательно, через контакт будет течь туннельный ток, возрастающий с ростом внешнего напряжения. При определенном напряжении степень перекрытия свободных и занятых зон достигнет максимума (рис.6) и при дальнейшем его росте начнет уменьшаться (рис.7). Соответственно и ток достигнет максимального значения и начнет уменьшаться. Это уменьшение будет проходить до тех пор, пока дно зоны проводимости области попадет в запрещенную зону области (рис.8), тогда туннельный ток полностью прекратится  частицам некуда переходить, нет соответствующих уровней энергии в области (рис.8).

При дальнейшем увеличении напряжения начнут перекрываться уровни зон проводимости обеих областей, потенциальных барьер уменьшится и возникнут условия движения частиц как на обычном переходе (рис.9).

Если на переходе подать обратное напряжение, то высота потенциального барьера возрастет, но возрастет и перекрытие зон. Теперь против свободных уровней области будут находиться заполненные уровни области (рис.10), следовательно, возникнет туннельный ток из в область  обратный ток диода. По мере роста обратного напряжения, растет перекрытие зон и обратный ток возрастает, т.е. туннельный диод не обладает односторонней проводимостью. Характерно, что обратный ток определяется движением основных носителей, в отличие от обычного диода. Полная вольтамперная характеристика туннельного диода приведена на рис.11.

Основными характеристиками туннельного диода являются:

пиковый ток (прямой ток в точке максимума вольтамперной характеристики);

ток впадины (прямой ток в точке минимума вольтамперной характеристики); отношение токов туннельного диода;

напряжение пика (прямое напряжение, соответствующее пиковому току); напряжение впадины (прямое напряжение, соответствующее току впадины);

напряжение раствора (прямое напряжение, большее , при котором ток равен пиковому;

среднее значение отрицательного сопротивления.

Наличие отрицательного дифференциального сопротивления у туннельных диодов позволяет применять их в схемах усилителей и генераторов, преобразователей и детекторов малых сигналов вплоть до сантиметрового диапазона длин волн, а также в импульсных схемах ЭВМ и устройствах автоматики. Более высокочастотные

свойства туннельных диодов, по сравнению с «обычными» диодами обусловлены тем, что туннельный ток связан с движением основных носителей и поэтому явления наполнения и рассасывания не основных носителей, ограничивающие свойства «обычных» диодов, у туннельных диодов отсутствуют.