1.5. Туннельные диоды

Туннельный диод имеет N-образную ВАХ и его работа основана на туннельном эффекте вp-n-переходе, образованном вырожденными полупроводниками. Вырождение полупроводников и малые величины шириныp-n-перехода достигаются за счет сильного легированияp-n-областей. Уровень Ферми в этом случае располагается в валентной области полупроводникаp-типа и в зоне проводимости полупроводникаn-типа.

Зонные диаграммы контакта двух вырожденных полупроводников показаны на рис. 1.16. Малая ширина p-n-перехода позволяет электронам туннелировать из зоны проводимостиn-области на свободные уровни в валентной зоне, а дыркам из валентной области в зону проводимостиn-области.

I

-U

+U

A

Рис. 1.15

При отсутствии внешнего смещения встречные потоки дырок и электронов будут равны, а результирующий ток через p-n-переход будет равен нулю. При подаче прямого смещения наp-n-переход, зона проводимостиn-области сместится вверх и заполненные уровниn-области окажутся напротив свободных уровней валентной зоныp-области (рис. 1.16, б). Вероятность перехода электронов из зоны проводимостиn-области вp-область увеличивается, а вероятность перехода дырок из валентной зоныp-области уменьшается. В результате черезp-n-переход потечет прямой ток, увеличивающийся с ростом прикладываемого напряжения и достигающий максимума, когда заполненная часть зоны проводимостиn-области будет располагаться напротив незаполненной части валентной зоны (рис. 1.16, б).

При дальнейшем увеличении прямого смещения перекрытия этих частей зон уменьшается и ток, туннелирования падает до нуля. При U>U_Вчерезp-n-переход протекает обычный диффузионный ток или ток рекомбинации (рис. 1.16, в). При обратном смещении (рис. 1.16, г) туннельный ток возрастает с увеличением напряжения, т.к. всё большее количество электронов из валентной зоныp-области переходит в зону проводимостиn-области.

ВАХ туннельного диода показана на рис. 1.17. Участок ОА - нарастание туннельного тока, АВ - уменьшение туннельного тока, ВС - диффузионная ветвь ВАХ. На участке отрицательного сопротивления АВ действует положительная обратная связь, по напряжению. Увеличение внешнего напряжения (рис. 1.18) приводит к уменьшению туннельного тока, а следовательно увеличению сопротивлению туннельного диода. Вследствие перераспределения внешнего напряжения, падение напряжения на диоде U­₀увеличится, что приводит к ещё большему увеличению сопротивления.

Туннельные диоды обладают высоким быстродействием (время переключения единицы наносекунд). Различают усилительные, генераторные и переключающиеся туннельные диоды. Усилительные применяются в усилителях и гетеродинах приёмных устройств, в схемах детекторов и смесителей диапазона СВЧ. Генераторные – в СВЧ генераторах диапазона волн 1-10 см. Переключательные применяются в импульсных схемах наносекундного диапазона.

Обращенный переключающий диод. Уменьшением концентрации примеси вn-области туннельного диода, уменьшает прямой туннельный ток до такой степени, что участок отрицательного сопротивления исчезает (рис. 1.19). Обратный ток остается достаточно большим, т.к. определяется электронами туннелирующими изp-области вn-область. Такой диод по виду ВАХ подобен обычному, у которого прямая и обратная ветви поменяны местами. Преимуществами обращенного диода является малое падение напряжения в пропускном направлении при сохранении высокочастотных устройств туннельного диода. Недостаток - малая допустимая величина прямого напряжении в запирающем направлении.

n⁺

E_C

p⁺

U=0

E_V

E_F

E_F

E_C

E_V

E_C

E_Fp

E_Fn

E_C

E_V

0<U<U_B

E_V

б)

а)

E_C

E_Fp

E_V

U>U_B

E_Fn

E_C

E_V

в)

г)

E_C

E_V

E_Fp

E_Fn

E_C

E_V

Рис. 1.16

I_ПР

I_max

I_min

- U

I_об

U_m

U_B

U

B

C

A

0

Рис.1.17

R

U_Д

U

Рис. 1.18

I_пр

U

I_об

Рис. 1.19

C, пФ

10

20

30

10

20

30

U, В

Рис. 1.20