1. Параметры туннельного диода и их определение.

2. Основные параметры туннельного диода и его эквивалентная схема.

3. Большинство основных электрических параметров туннельного диода определяется из его вольтамперной характеристи­ки (см. рис. 8):

4. I₁ — максимальный туннельный ток, или пиковый ток;

5. I₂ — минимальный ток;

6. ΔI= I₁₋ I₁ — перепад токов;

7. u₁ — напряжение, соответствующее максимально­му току;

8. u₂ — напряжение, соответствующее минимально­му току;

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

10. Δu= u₃ −u₁ —скачок напряжения при переходе с туннель­ной ветви характеристики на диффузионную;

11. Δu₂ ≈u₂ — скачок напряжения при переходе с диффузи­онной ветви на туннельную.

12. 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;

13. 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:

г де 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. Равноценным обратной вели­чине этого параметра является параметр R₋·C·(C/I₁ = k·R₋·C, где k — постоянная, зависящая от типа материала, k ≈ 0.2 в⁻¹ для германия и

k ≈ 0.5 в⁻¹ для арсенида галлия).

Числовые значения этих параметров зависят от материала, концентрации примесей, конструктивного оформления прибо­ра и лежат в пределах: для |R₋|=5 — 500 Ом; для C= 1— 200 пф; для L=10⁻⁸ − 10⁻⁹ гн (диоды с гибкими выводами), 10⁻⁹ − lO⁻¹⁰ гн (для диодов в высокочастотных патронах). Величина R может быть уменьшена и до тысячных долей;

ома (разработаны туннельные диоды с пиковым током r. 300 а).

Зависимость параметров от температуры.

Сильное легирование материала туннельного диода обес­печивает возможность работы прибора в широком температур­ном диапазоне. Тем не ме­нее, для правильного конструирования схем с туннельными диодами необходимо знать поведение основных параметров диода при изменении температуры.

Теоретические исследования показали, а практические опыты подтвердили зависимость температурной ста­бильности параметров туннельного диода от типа материала и степени его легирования. Поскольку концентрации примесей имеют значительный разброс (даже у приборов одного типа), постольку температурные зависимости могут меняться от диода к диоду и для выявления закономерностей этих зависимо­стей необходимы массовые испытания.

Наибольшим исследованиям подвергались температурные зависимости тока максимума и минимума вольтамперной ха­рактеристики. Характер зависимости тока максимума от тем­пературы определяется типом материала, на основе которого сделан туннельный диод, и степенью его легирования. Вид этой зависимости определяется суммарным влиянием двух факторов, действующих в противоположных направлениях:

изменение ширины запрещенной зоны материала, что при­водит к изменению вероятности туннелирования электронов;

изменение с температурой статистических факторов, учи­тывающих плотность энергетических состояний и их заселен­ность в полупроводнике.

Второй фактор будет определяющим при малом вырожде­нии материала (относительно слабое легирование), когда тун­нельный ток обусловлен электронами с энергетических уров­ней, расположенных около уровня Ферми. С увеличением тем­пературы в этом случае будет наблюдаться уменьшение тока максимума, так как изменится заселенность энергетических уровней. Поэтому туннельные диоды на основе германия n-типа обладают отрицательным температурным коэффициентом тока максимума порядка 0.2—0,3%° C, потому что концентрация примесей в рекристаллизованной области ограничена зна­чением 6·10¹⁹ см³.

Изменение ширины запрещенной зоны с температурой бу­дет определяющим в диодах с сильным легированием, так как при глубоком вырождении ток будет определяться туннелированием электронов с уровней, энергия которых значительно меньше энергии, соответствующей уровню Ферми. С ростом температуры ток максимума должен расти (из-за повышения вероятности туннельного эффекта) при уменьшении ширины запрещенной зоны, что наблюдается и на практике у диодов на основе германия p-типа, начиная с определенной концент­рации примесей в них (примерно 6·10¹⁹ см⁻³).

Зависимость характера изменения тока максимума тун­нельного диода с температурой от степени легирования позво­ляет подобрать такую концентрацию примесей в материале, при которой в широком температурном диапазоне будет на­блюдаться малое изменение тока максимума. О величине кон­центрации примесей можно судить по определяемому ей на­пряжению u₁, соответствующему току максимума диода. Так, германиевые туннельные дио­ды с напряжением u₁ 56 — 60 мв обладают минимальной зави­симостью тока максимума в диапазоне 100° C.

Зависимость тока минимума I₂ (избыточный туннельный ток) от температуры определяется изменением ширины запре­щенной зоны, так как заселенность промежуточных энергети­ческих уровней, переход электронов через которые определяет избыточный ток, не зависит от температуры, потому что они значительно удалены от уровня Ферми. Поэтому с ростом тем­пературы ток минимума увеличивается главным образом из-за уменьшения ширины запрещенной зоны.

Отношение тока максимума к току минимума I₁/I₂ обычно уменьшается с ростом температуры, причем (для диодов на основе германия n-типа) тем сильнее, чем больше это отно­шение.

Температурные зависимости напряжения u₁, соответствую­щего максимуму туннельного тока, напряжения u₀, соответст­вующего минимальному значению отрицательного сопротив­ления, и напряжения u_1xR, соответствующего минималь­ному дробовому шуму p-n-перехода, определяются в основном степенью легирования n-области и ослабевают с ростом концентрации примесей в ней. Обычно эти напряжения меняются мало и при увеличении температуры незначительно уменьша­ются. Напряжение u₂, соответствующее минимуму туннельно­го тока, с повышением температуры также уменьшается (из-за возрастания диффузионной составляющей тока). Температур­ный коэффициент напряжения из близок к температурному коэффициенту напряжения обычных германиевых диодов, включенных в прямом направлении.

Что касается туннельных диодов на основе кремния и интер­металлических соединений, то отсутствие достаточного количе­ства опубликованных данных по исследованию температурных зависимостей параметров не дает возможности в настоя­щий момент сделать обобщающие выводы и установить зако­номерности. Однако качественные предположения об этих за­висимостях могут быть сделаны на основе зонной структуры этих полупроводников. Так, зависимость тока максимума от температуры туннельных диодов из интерметаллических соединений будет по характеру подобна этой зависимости у германиевых диодов, так как в этих соединениях предпола­гаются прямые туннельные переходы (без взаимодействия электрона с решеткой). В кремнии, где туннельные переходы не прямые (с определенным взаимодействием электрона с ре­шеткой), при увеличении температуры будет наблюдаться рост тока максимума. Можно с уверенностью сказать, что экспе­риментальные данные по этим материалам, которые, вероят­но, будут опубликованы в ближайшее время, позволят уста­новить характер температурных зависимостей основных па­раметров туннельных диодов из этих полупроводников.