48.Приборы на туннельном эффекте

Туннельный эффект - преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия меньше высоты барьера. Сильному электрическому полю в полупроводнике соответствует большой наклон энергетических зон ). При этом электроны могут проходить сквозь узкий потенциальный барьер (толщиной Δx) без изменения своей энергии – туннелировать благодаря своим квантово-механическим свойствам. Так как процесс туннелирования происходит вследствие перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости, то этот процесс можно считать аналогичным автоэлектронной эмиссии или холодной эмиссии электронов из металла.

Туннельный диод - это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором вследствие туннельного эффекта на вольт-амперной характеристике при прямом напряжении имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Туннельный диод изготавливают из материалов с очень высокой концентрацией примесей (около 0,01 %). Большая плотность свободных носителей заряда приводит к тому, что запирающий слой, обедненный свободными носителями зарядов и вследствие этого обладающий высоким сопротивлением, имеет малую толщину, поскольку ее величина обратно пропорциональна концентрации в ней примеси. По сравнению с другими полупроводниковыми диодами она примерно на два порядка меньше. Малая толщина р-п-перехода приводит к тому, что помимо диффузии свободных носителей зарядов большую роль играет туннельный эффект, в результате которого свободные носители заряда могут пройти через барьер . На некотором интервале значений приложенного прямого напряжения этот эффект является доминирующим, что отражается на вольт-амперной характеристике туннельного диода Рис. Вольт-амперная характеристика туннельного диода (а) и его условное графическое изображение (б)

Рассмотрим с помощью зонной теории как происходит туннелирование на примере электронов, поскольку поведение дырок будет аналогичным.

Из-за большой концентрации примесей уровни энергии примесных атомов образуют зоны, которые сливаются с ближайшими разрешенными зонами кристалла (для полупроводника р-типа с валентной зоной, а для полупроводника п-типа - с зоной проводимости). Эти зоны будут не полностью заполнены электронами. Поэтому уровни Ферми находятся не в запрещенных зонах ,а в разрешенных зонах.

Потенциальный барьер в области р-п-перехода туннельного диода более высокий. Выравнивание уровня Ферми в обеих частях диода приводит к сильному искривлению энергетических уровней. При этом происходит перекрывание энергетических уровней валентной зоны области р-типа и зоны проводимости области п-типа . В связи с узостью р-п-перехода электроны могут туннелировать сквозь потенциальный барьер на тот же энергетический уровень. Однако практически все уровни энергии, расположенные ниже уровня Ферми, заняты и туннелирование электронов с такими энергиями невозможно. Количество электронов с энергией выше уровня Ферми очень мало, причем их потоки в обоих направления одинаковы. Поэтому в отсутствие внешнего напряжения ток через переход равен нулю.

Приложим к диоду обратное напряжение, при котором минус подключен к области р-типа, а плюс - к области п-типа. Это увеличивает потенциальный барьер, смещая вниз положение зоны проводимости п-области по отношению к валентной зоне р-области. У электронов р-области появляется возможность туннелировать из нее на свободные уровни энергии п-области (на указанном рисунке такая возможность отмечена стрелкой) и возникает обратный ток. Дальнейшее увеличение обратного напряжения, вызывая последующее смещение зон в том же направлении, приводит к существенному росту обратного тока ввиду высокой концентрации электронов в валентной зоне вне области р-п-перехода. Это означает, что в отличие от выпрямительных у туннельных диодов обратные токи сильно зависят от величины обратного напряжения.

Если к диоду приложить прямое напряжение, то потенциальный барьер уменьшится и энергетические зоны р- и п-областей сместятся в противоположном направлении . Теперь уже электроны из области п будут туннелировать на свободные уровни энергии р-области. Увеличение прямого напряжения, вызывая последующее смещение зон, будет сопровождаться ростом прямого тока, так как большая часть зоны проводимости п-области, занятой электронами, будет расположено напротив свободных уровней энергии валентной зоны, а значит большему количеству электронов доступно туннелирование. Перекрытие указанных зон, а значит и возрастание прямого тока, будет происходить только до величины напряжения Uп, при котором уровень Ферми совпадет с потолком валентной зоны полупроводника р-типа . Дальнейшее увеличение напряжения приводит к убыванию тока вследствие уменьшения перекрытия зон. При прямом напряжении, равном Uв, при котором дно зоны проводимости п-области совпадет с потолком валентной зоны полупроводника р-типа, валентная зона будет расположена напротив запрещенной зоны и туннельный эффект станет невозможным . При указанном значении напряжения прямой ток имеет минимальное значение Iв. Отметим, что его величина отлична от нуля, так как помимо туннельного эффекта ток обусловлен диффузией электронов, имеющих энергию, превышающую величину потенциального барьера. Последний участок вольт-амперной характеристики при U > Uв, на котором происходит возрастание прямого тока, обусловлен диффузионным механизмом как у обычных диодов.

Основные параметры диода можно определить исходя из его вольт-амперной характеристики. К ним относятся значения тока и напряжения в точках максимума и минимума: пиковый ток , напряжение пика , ток впадины , напряжение впадины UВ, , напряжение раствора

можно выделить две основные особенности туннельных диодов. Во-первых, они хорошо проводят ток при любой полярности приложенного напряжения. Поэтому в отличие от обычных диодов не могут быть использованы в качестве выпрямительных элементов. Во-вторых, вольт-амперная характеристика имеет участок, на котором с ростом напряжения ток убывает. Для него дифференциальное со- противление отрицательно. Если положительное сопротивление потребляет часть энергии сигнала, превращая ее в тепловую энергию, то элемент с отрицательным значением Rдиф наоборот отдает её во внешнюю цепь, компенсируя потери. Эта особенность используется для генерации и усиления слабых сверхвысокочастотных сигналов. Поскольку туннельные диоды обладают малой инерционностью, они широко применяются в разнообразных импульсных устройствах.