1.1.6.4. Туннельный диод

1.1.6.4.1. Принцип квантово-механического туннелирования

Туннельные диоды это такие диоды, работа которых основана на явлении квантово-механического туннелирования. Первая работа, подтверждающая реальность создания туннельных приборов, была посвящена туннельному диоду, называемому также диодом Есаки, и опубликована Л. Есаки в 1958 году. Есаки в процессе изучения внутренней полевой эмиссии в вырожденном германиевом p-n-переходе обнаружил "аномальную" ВАХ: дифференциальное сопротивление на одном из участков характеристики оказалось отрицательным. Этот эффект он объяснил с помощью концепции квантово-механического туннелирования и, при этом, получил приемлемое согласие между теоретическими и экспериментальными результатами.

В явлении туннелирования главную роль играют основные носители. Время туннелирования носителей через потенциальный барьер не описывается на привычном языке времени пролёта , где -ширина барьера, -скорость носителей); оно определяется с помощью вероятности квантово-механического перехода в единицу времени. Эта вероятность пропорциональна , где - среднее значение волнового вектора в процессе туннелирования, приходящееся на один носитель с нулевым поперечным импульсом и энергией, равной энергии Ферми / /. Отсюда следует, что время туннелирования пропорционально . Оно очень мало, и поэтому туннельные приборы можно использовать в диапазоне миллиметровых волн. В табл. 1.1.1 представлены поддиапазоны СВЧ-диапазона и соответствующие им полосы частот.

Табл. 1

Поддиапазоны СВЧ-диапазона работы туннельного диода

Наименование диапазона	Полоса частот, ГГц
A	0.100-0.250
B	0.250-0.500
C	0.500-1.000
D	1.000-2.000
E	2.000-3.000
F	3.000-4.000
G	4.000-6.000
H	6.000-8.000
I	8.000-10.000
J	10.000-20.000
K	20.000-40.000
L	40.000-60.000
M	60.000-100.00
Миллиметровый	>30-300
Субмиллиметровый	>300

Рис. 1.1.15 Энергетическая диаграмма туннельного диода.

Благодаря высокой надёжности и совершенству технологии изготовления туннельные диоды используются в специальных СВЧ-приборах с низким уровнем мощности, таких, как гетеродин и схемы синхронизации частоты. Туннельный диод представляет собой простой p-n-переход, обе стороны которого вырождены (т.е. сильно легированы примесями). На рис.1.1.15 приведена энергетическая диаграмма туннельного диода, находящегося в состоянии термического равновесия, где и степени вырождения p-области и n-области соответственно.

1.1.6.4.2. Вольт-амперная характеристика туннельного диода

В результате сильного легирования уровень Ферми проходит внутри разрешенных зон. Степени вырождения и обычно составляют несколько , а ширина обедненного слоя и меньше, т.е. намного меньше, чем в обычном p-n-переходе. На рис. 1.1.16,а приведена типичная статическая вольтамперная характеристика туннельного диода, из которой видно, что ток в обратном направлении (потенциал p-области отрицателен по отношению к потенциалу n-области) монотонно увеличивается. В прямом направлении ток сначала возрастает до максимального значения (пикового значения ) при напряжении , а затем уменьшается до минимальной величины при напряжении . При напряжениях, превышающих , ток возрастает с ростом напряжения по экспоненциальному закону. Полный статический ток диода представляет собой сумму тока туннелирования из зоны в зону, избыточного и диффузионного тока (рис. 1.1.16,б).

Отметим, что уровни Ферми проходят внутри разрешенных зон полупроводника, и в состоянии термодинамического равновесия уровень Ферми постоянен по всему полупроводнику. Выше уровня Ферми все состояния по обеим сторонам перехода оказываются пустыми, а ниже уровня Ферми все разрешенные состояния по обеим сторонам перехода заполнены электронами. Поэтому в отсутствии приложенного напряжения туннельный ток не протекает.

а) б)

Рис. 1.1.16. ВАХ туннельного диода

При подаче напряжения на переход электроны могут туннелировать из валентной зоны в зону проводимости или наоборот. Для протекания туннельного тока необходимо выполнение следующих условий:

-энергетические состояния на той стороне перехода, откуда туннелируют электроны, должны быть заполнены;

-на другой стороне перехода энергетические состояния с той же энергией должны быть пустыми;

-высота и ширина потенциального барьера должны быть достаточно малыми, чтобы существовала конечная вероятность туннелирования;

-должен сохраняться квазиимпульс.

На рис. 1.1.17 показано, как туннелируют электроны из валентной зоны в зону проводимости при обратном напряжении на диоде. Соответствующая величина тока отмечена точкой на вольтамперной характеристике. При прямом напряжении существует диапазон энергий, при которых состояния в n-области заполнены, а разрешенные состояния в p-области пусты. Естественно, что при этом электроны могут туннелировать из n-области в p-область.

При увеличении прямого напряжения число разрешенных пустых состояний в p-области, в которые могут туннелировать электроны из n-области, уменьшается. Если же прямое напряжение имеет такое значение, что зоны "не перекрываются", т.е. энергия дна зоны проводимости точно совпадает с энергией потолка валентной зоны, то неразрешенные пустые состояния, соответствующие заполненным состояниям, отсутствуют. Следовательно, в этой точке туннельный ток должен исчезать. При дальнейшем увеличении напряжения будет протекать обычный диффузионный ток, который экспоненциально возрастает с ростом напряжения. Таким образом, следует ожидать, что при увеличении прямого напряжения туннельный ток сначала возрастает от нуля до максимального значения , а затем уменьшается до нуля, когда приложенное прямое напряжение . Падающий участок ВАХ соответствует области отрицательного дифференциального сопротивления. Процесс туннелирования может быть прямым и непрямым. Случай прямого туннелирования показан на рис. 1.1.17,а, где структура зон в импульсном пространстве в классических точках поворота наложена на энергетическую диаграмму туннельного перехода в координатном пространстве .

При такой структуре зон электроны могут туннелировать из окрестности минимума зоны проводимости в окрестность максимума валентной зоны, сохраняя значение импульса. Таким образом, для того чтобы происходило прямое туннелирование, положения дна зоны проводимости и потолка валентной зоны в пространстве импульсов должны совпадать. Это условие выполняется в полупроводниках с прямой запрещенной зоной (в таких , как GaAs и GaSb). Оно может выполняться также в полупроводниках с непрямой запрещенной зоной (например, в Ge) при достаточно больших приложенных напряжениях, таких, что максимум валентной зоны находится на одном уровне с непрямым минимумом зоны проводимости.

Рис.1.1.17. Упрощенные энергетические диаграммы туннельного диода