5.9.3 Туннельные диоды

Туннельный диод был предложен в 1958 годуЛео Исаки, который в1973 годуполучил Нобелевскую премию по физике за открытие эффектатуннелирования электронов, применяемого в этих диодах.

Туннельным диодом называют полупроводниковый диод на основе p⁺n⁺-перехода с сильнолегированными областями, на прямом участке ВАХ которого наблюдается N-образная зависимость тока от напряжения.

Если концентрация доноров и акцепторов в эмиттере и базе диода будет N_A, N_D~10²⁰ см^-3, то концентрация основных носителей будет много больше эффективной плотности состояний в разрешенных зонах p_p0, n_n0 >> N_C, N_V. В этом случае уровень Ферми будет находиться в разрешенных зонах p⁺- и n⁺-полупроводников. В полупроводнике n⁺ типа все состояния в зоне проводимости вплоть до уровня Ферми заняты электронами, а в полупроводнике p⁺-типа - дырками.

Рассчитаем, чему равна геометрическая ширина вырожденного pn-перехода. Будем считать, что при этом сохраняется несимметричность pn-перехода (p⁺- более сильнолегированная область). Тогда ширина p⁺n⁺-перехода мала:

(5.73)

Дебройлевскую длину волны электрона оценим из простых соотношений:

(5.74)

Таким образом, геометрическая ширина p⁺n⁺-перехода оказывается сравнима с дебройлевской длиной волны электрона. В этом случае в вырожденном p⁺n⁺-переходе можно ожидать проявления квантово-механических эффектов, одним из которых является туннелирование через потенциальный барьер.

На рис. 5.31 показаны зонные диаграммы типичного туннельного диода при обратном и прямом смещении, соответствующие различным точкам на ВАХ.

Поскольку туннельные переходы происходят без рассеяния, то есть с сохранением энергии туннелирующей частицы, то на зонной диаграмме эти процессы будут отражены прямыми горизонтальными линиями.

Рис. 5.31 Зонные диаграммы и ВАХ туннельного диода при прямом смещении

Проанализируем особенности ВАХ туннельного диода. При обратном напряжении ток в диоде обусловлен туннельным переходом электронов из валентной зоны п/п p⁺-типа на свободные места в зоне проводимости п/п n⁺- типа. Поскольку концентрация электронов и число мест велики, то туннельный ток резко возрастает с ростом обратного напряжения. Такое поведение ВАХ резко отличает туннельный диод от обычного выпрямительного диода.

При прямом напряжении ток в диоде обусловлен туннельным переходом электронов из зоны проводимости п/п n⁺- типа на свободные места в валентной зоне п/п p⁺-типа. На участке 1 при обратном смещении (рис. 5.31,а) электроны валентной зоны p⁺- области занимают вакантные места в зоне проводимости n⁺- области без изменения энергии.

При нулевом смещении переходы зона-зона невозможны и ток равен нулю (рис. 5.31,б). При небольшом прямом напряжении напротив электронов зоны проводимости п/п n⁺- типа начинают появляться свободные места в валентной зоне п/п p⁺-типа при той же самой энергии. По мере роста напряжения число прямых переходов возрастает, и ток растет с ростом напряжения. Туннельный ток достигает максимума, когда все свободные места в валентной зоне п/п p⁺-типа оказываются по энергии напротив энергетических уровней, занятых электронами в зоне проводимости п/п n⁺- типа (рис. 5.31,в). Затем, по мере роста прямого напряжения, число этих свободных мест начинает уменьшаться, поскольку по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости п/п n⁺- типа оказываются состояния в запрещенной зоне п/п p⁺-типа (энергетические уровни в идеальных полупроводниках в запрещенной зоне отсутствуют) (рис. 5.31,г). На этом участке туннельный ток уменьшается с ростом напряжения и превращается в ноль, когда запрещенная зона p⁺ полупроводника будет находиться по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости. Это – участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. При дальнейшем росте прямого напряжения появляется компонента обычного диффузионного тока pn-перехода (рис. 5.31,д).

Из принципа действия туннельных диодов видно, что процессы в них обусловлены основными носителями заряда, а рекомбинация не играет принципиальной роли. Поэтому характерное время в туннельных переходах есть не время жизни неравновесных носителей, а максвелловское время релаксации , при1 (Ом∙см)^-1 10^-12 с. Вследствие этого теоретический предел частот намного больше, чем у диффузионных pn-переходов. Однако предельная частота реальных приборов понижается вследствие влияния паразитной емкости и индуктивности корпуса прибора.

Первый туннельный диод был изготовлен в 1957 из германия; однако вскоре после этого были выявлены другие полупроводниковые материалы, пригодные для получения туннельных диодов: Si, InSb, GaAs, InAs, PbTe, GaSb, SiC и др.

В силу того, что туннельных диод в некотором интервале напряжений смещения имеют отрицательное дифференциальное сопротивление и обладают очень малой инерционностью, их применяют в качестве активных элементов в высокочастотных усилителях электрических колебаний, генераторах и переключающих устройствах.