Лист 8 Туннельные диоды (рис.2.1)

Туннельный диод (ТД) – полупроводниковый прибор на основе p-n-перехода, образованного вырожденными (рис.8) полупроводниками ( с большой концентрацией примеси N10²⁶ м^-3). Особенности ТД: концентрация примеси в сотни раз больше, чем в выпрямительных диодах, и как следствие, малая толщина перехода (0,01мкм). На энергетической диаграмме ТД уровень Ферми заходит в p-области в валентную зону, а в n-области в зону проводимости (рис.4). Против разрешенных уровней валентной зоны p-области лежат разрешенные уровни зоны проводимости n-области. Это значит, что электроны могут пройти через переход не меняя своей энергии, не преодолевая потенциального барьера (а сквозь потенциальный барьер) Это явление называется туннельным эффектом. Если внешних напряжений к переходу не приложено (U = 0), то прямой и обратный токи взаимно компенсируются, и полный ток равен нулю (рис.4). Если к переходу приложено прямое напряжение 0 < U ≤ U_п, потенциальный барьер (рис. 5) снижается, против занятых уровней n-области появляются разрешенные свободные уровни валентной зоны p-области. Появляется туннельный ток. При U = U_п все уровни зоны проводимости n-области окажутся против свободных уровней валентной зоны, то есть прямой туннельный ток будет максимальным.

Если прямое U станет больше U_п, барьер еще понизится и часть занятых уровней n-области окажется против запрещенной зоны p-области. Туннельный ток будет уменьшаться. При некотором U = U_в туннельный ток прекратится (рис.6). Если переход включен в обратном направлении (плюсом к n, минусом к p-области), энергетический барьер возрастает (полное напряжение U_п=U+к), при этом, против занятых уровней p-области появляются свободные разрешенные уровни зоны проводимости n-области, то есть растет обратный туннельный ток.

Особенностью ВАХ является падающий участок при U_п < U < U_в, на котором дифференциальное сопротивление отрицательно: . Это позволяет использовать туннельные диоды для усиления и генерации переменных токов в диапазоне СВЧ. Предельная частота туннельных диодов достигает 10…1000 гигагерц, они отличаются малым потреблением энергии, хорошей радиационной устойчивостью, температурной стабильностью.

Промышленность выпускает туннельные диоды из арсенида галлия (кривая 2) и германия (кривая 1 на рис.1). Чем больше ширина запрещенной зоны, тем при больших напряжениях наблюдается .

1. Параметры. ТД характеризуются специфическими параметрами:1Пиковый ток I_п – прямой ток в точке максимума ВАХ, при котором значение di/du равно нулю. Он различен для ТД разного назначения. Значение его может составлять от десятых долей мА до сотен мА

2. Напряжение пика U_п – прямое напряжение, соответствующее пиковому току.

3. Ток впадины I_в – прямой ток в точке минимума ВАХ, при котором значение di/du равно нулю. 4Напряжение впадины U_B – прямое напряжение, соответствующее току впадины.

5 Отношение токов туннельного диода I_п/I_в отношение пикового тока к току впадины. (рис.9) Для переключательных диодов это отношение должно быть максимально возможным, оно характеризует различимость двух логических уровней сигнала.

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

7. Предельная резистивная частота f_R – расчетная частота, на которой активная составляющая полного сопротивления последовательной цепи, состоящей из р-n-перехода и сопротивления потерь, обращается в нуль.

8. Резонансная частота туннельного диода f₀ – расчетная частота, на которой общее реактивное сопротивление р-n-перехода и индуктивности корпуса туннельного диода обращается в нуль.

Эффекта накопления неосновных носителей в базе ТД практически нет, так как они используются при малых U, соответствующих падающему участку ВАХ (с отрицательным дифференциальным сопротивлением). Поэтому ТД способны работать на f до сотен ГГц, что соответствует миллиметровому диапазону радиоволн. Верхний предел f- диапазона ограничен паразитными параметрами –барьерной емкостью р-n-перехода, и индуктивностью выводов и корпуса. Эквивалентная схема туннельного диода отличается от схемы обычного диода только тем, что здесь вместо активного сопротивления перехода введено отрицательное дифференциальное сопротивление r_ и учитывается индуктивность выводов L. .