2.3.1.4. Туннельные диоды (обозначение в схемах )

Вольт-амперная характеристика туннельного диода и его энергетическая диаграмма приведена на рис.13. Главная ее особенность состоит в наличии максимума на прямом смещении. Это означает, что участок «эд» характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением Максимум на вольт-амперной характеристике обусловлен туннельным эффектом, который объясняется лишь в рамках квантовой механики. А под туннельным эффектом понимают способность микрочастиц (в данном случае, электронов) преодолевать потенциальный барьер в тех случаях, когда их полная энергия меньше высоты потенциального барьера. Вероятность P прохождения частицей с массой µ, энергией E потенциального барьера высотой φ и шириной d описывается формулой

В обычных полупроводниковых диодах на монокристаллах концентрация примесей не превышает 10¹⁷см^-3, толщина d p-n –перехода составляет примерно 10^-4 -10^-5см, а напряженность поля в p-n -переходе в отсутствие внешнего напряжения E=10³-10⁴ В/см. Для электрона из n-области это поле создает потенциальный барьер , поэтому для перехода его в p-область, ему нужно сообщить энергию, превышающую этот потенциальный барьер, так как вероятность перехода через барьер ничтожно мала.

В

Рис.13. Энергетические диаграммы туннельного диода при различных напряжениях смещения и его вольт-амперная характеристика.

туннельных диодах применяют легированные полупроводники, содержащие примеси в количестве 10¹⁸-10²⁰см^-3. Это позволяет уменьшить толщину p-n –перехода до 10^-6см, а поле внутри перехода ( увеличивается до 10⁵-10⁶ В/см. При этом сильно изменяется зонная структура. На рис.13г ось X –пространственная координата: слева расположен p-полупроводник, справа n- полупроводник. По оси ординат отложена энергия. Запрещенные полосы у p- и n- полупроводников сильно сдвинуты относительно друг друга так, что валентная зона p –полупроводника приходится напротив зоны проводимости n –полупроводника и они разделены очень узкой щелью. Уровень Ферми находится уже не в запрещенной, а внутри разрешенных зон: у электронного полупроводника он находится в зоне проводимости, а у дырочного –в валентной зоне. Для простоты рассуждений будем считать, что все разрешенные ровни энергии, расположенные ниже уровня Ферми, заполнены, а расположенные выше него свободны. Если теперь подать небольшое прямое напряжение, уровень Ферми в p –полупроводнике спустится, а в n –полупроводнике поднимется. Таким образом, в валентной зоне p –полупроводника напротив занятых уровней в n –полупроводнике окажутся свободные уровни (рис.13б). (Чтобы не загромождать чертеж, эти уровни не показаны). Из-за очень тонкого энергетического барьера электрону проводимости из n –области не обязательно сообщать дополнительную энергию, чтобы перейти в p –область, появляется значительная вероятность проскочить этот энергетический барьер и попасть на свободный уровень без затраты энергии, а дальше он будет подхвачен внешним электрическим полем и, таким образом, окажется электроном проводимости. По цепи пойдет ток, соответствующий точке δ на вольт-амперной характеристике. При дальнейшем повышении напряжения еще большее число уровней будет приходиться напротив незаполненных уровней валентной зоны, поэтому туннельный ток будет увеличиваться. Когда уровень Ферми в n –области достигнет потолка валентной зоны p –области при напряжении U_1n(рис.13в), туннельный ток будет максимальным, что будет соответствовать точке «в» на вольт-амперной характеристике. При дальнейшем повышении напряжения уровня n –области будут находиться напротив запрещенной зоны, туннельный ток начнет уменьшаться (рис.13г) и будет равным нулю при напряжении U_1в, когда все уровни в зоне проводимости окажутся напротив запрещенной зоны p –области (рис.13д). Однако к этому моменту может оказаться не равным нулю обычный диффузионный ток (на вольт-амперной характеристике он показан штриховой линией), поэтому ток через диод все же пойдет, а при еще большем увеличении напряжения за счет диффузионного тока, как в обычных диодах, кривая резко пойдет вверх (рис.13е). При обратном напряжении в p-n –переходе(рис.13ж) смещение уровней Ферми в p- и n- областях происходит противоположным образом, поэтому напротив занятых уровней валентной зоны p –полупроводника оказываются свободные уровни зоны проводимости в n –полупроводнике. При этом возникают условия для туннельного прохождения валентных электронов p –области в зону проводимости n – области. В результате этого появляется значительный туннельный ток обратного направления.

Туннелирование носителей заряда происходит практически безинерционно. Поэтому туннельный диод является быстродействующим прибором. Важнейшие области его применения –генерация и усиление СВЧ –колебаний, а также быстродействующее переключение. Использование туннельного диода основано главным образом на существовании участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением, поэтому основными параметрами являются:

1. Отрицательное дифференциальное сопротивление , соответствующее точке перегиба;

2. Пиковый ток I_n –прямой ток в точке максимума вольт-амперной характеристики;

3. Ток впадины I_в –прямой ток в точке минимума вольт-амперной характеристики;

4. Отношение ;

5. Напряжение впадины U_n –прямое напряжение, соответствующее пиковому току;

6. Напряжение впадины U_в;

7. Напряжение раствора U_pp –прямое напряжение, большее напряжение впадины, при котором ток равен пиковому.

Лучшими параметрами обладают туннельные диоды с базой из арсенида галлия (GaAs), легированного цинком. Изготавливают также диоды из германия, легированного галлием.

2.3.1.5. Варикапы (обозначение в схеме )

Как видно из рис.7, p-n –переход можно рассматривать как конденсатор, «обкладками» которого являются области по обеим сторонам границы, а «изолятором» является область пространственного заряда(поскольку в ней мала концентрация свободных носителей, проводимость ее, очевидно, очень мала). При увеличении обратного напряжения область пространственного заряда расширяется (рис.7), и это можно представить как увеличение расстояния между «обкладками». Следовательно, емкость такого «конденсатора» будет зависеть от приложенного обратного напряжения, и, измеряя ее, можно судить о том, как изменяется толщина перехода в зависимости от обратного напряжения. Это явление нашло практическое применение, на его основе созданы варикапы –полупроводниковые диоды, предназначенные для использования в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Варикапы широко используют в схемах с автоматической подстройкой частоты, амплитудной и частотной модуляции и т.д. Кроме перечисленных выше параметров, в паспортных данных диодов обязательно приводятся предельные характеристики, коэффициенты, определяющие температурную нестабильность, емкость p-n –перехода, а также частотные границы. На этих характеристиках мы не останавливаемся подробно, так как это не входит в задачу наших измерений.