5. Туннельный диод.

Туннельный диод – это диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперной характеристике при прямом напряжении участка отрицательной дифференциальной проводимости.

Туннельные диоды изготовляются из материалов с очень большой концентрацией примесей (10¹⁸–10²⁰ см^-3). Благодаря этому толщина p-n перехода оказывается очень маленькой: около 10^-2 мкм, т.е. на два порядка меньше, чем в других полупроводниковых диодах. Другим следствием большой концентрации примесей является расщепление примесных энергетических уровней с образованием примесных энергетических зон, которые примыкают к дну зоны проводимости в n-области и к потолку валентной зоны в р-области. Уровни Ферми при этом оказываются расположенными в разрешенных зонах (пунктирные линии на рис.7).

В диоде без внешнего напряжения существует туннелирование электронов из n-области в р-область и обратно. Встречные потоки электронов равны, поэтому ток через диод равен нулю (рис.7а).

При небольшом прямом напряжении на туннельном диоде происходит уменьшение высоты потенциального барьера или смещение энергетической диаграммы n-области относительно энергетической диаграммы р-области. Свободные энергетические уровни р-области (занятые дырками), расположенные непосредственно над уровнем Ферми, оказываются на одной высоте по энергетической диаграмме или при тех же энергиях, что и электроны в n-области (рис. 7б). Поэтому будет происходить преимущественное туннелирование электронов из n-области в р-область.

При прямом напряжении на диоде, когда свободные энергетические уровни валентной и примесной зон р-области окажутся на одной высоте с занятыми электронами энергетическими уровнями зоны проводимости и примесной зоны n-области, туннельный ток через диод будет максимальным (рис. 7в).

Рис.7. Вольт-амперная характеристика и энергетические диаграммы туннельного диода.

При дальнейшем увеличении прямого напряжения на диоде туннельный ток через диод будет уменьшаться, так как из-за смещения энергетических диаграмм будет уменьшаться количество электронов, способных туннелировать из n-области в р-область (рис. 7г).

Туннельный ток окажется равным нулю при некотором, еще большем напряжении, когда из-за относительного смещения энергетических диаграмм n- и р-областей для свободных электронов n-области не будет свободных энергетических уровней в р-области (рис. 7д). Однако при этом через диод будет проходить прямой ток, обусловленный переходом носителей через понизившийся потенциальный барьер электронно-дырочного перехода, т.е. инжекционный ток. С дальнейшим увеличением прямого напряжения прямой ток через диод будет возрастать, как и в обычных полупроводниковых диодах (рис. 7е).

При обратном напряжении на туннельном диоде опять возникают условия для туннелирования электронов (рис. 7ж). Только теперь электроны туннелируют из валентной зоны р-области в зону проводимости n-области. Возникающий при этом обратный ток будет расти с увеличением обратного напряжения по абсолютному значению. Таким образом туннельный диод обладает относительно большой проводимостью при обратном напряжении. Можно считать, что у туннельного диода при ничтожно малых обратных напряжений происходит туннельный пробой.

Таким образом, туннельный диод обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением в некотором диапазоне прямых напряжений. Поэтому он может быть использован для генерации и усиления электромагнитных колебаний, а также в переключающих схемах.

Основными параметрами туннельных диодов являются (рис.7):

• пиковый ток I_п – прямой ток в точке максимума ВАХ;

• ток впадины I_в – прямой ток в минимуме ВАХ;

• отношение I_п/I_в;

• напряжение пика U_п – прямое напряжение, соответствующее пиковому току;

• напряжение впадины U_в – прямое напряжение, соответствующее току впадины.

Изменение температуры может по-разному влиять на туннельную составляющую тока и на составляющую, связанную с инжекцией.

1) С повышением температуры уменьшается ширина запрещенной зоны, что приводит к уменьшению толщины потенциального барьера, сквозь который туннелируют электроны, при этом вероятность туннелирования растет. Соответственно увеличивается туннельная составляющая тока и, в частности, растет пиковый ток.

2) С ростом температуры изменяется распределение электронов по энергетическим уровням – количество электронов под уровнем Ферми в зоне проводимости n-области уменьшается, так как часть свободных электронов переходит на более высокие энергетические уровни, а уровень Ферми смещается вниз. Поэтому уменьшается число электронов, которые могут туннелировать из n-области в р-область. Туннельная составляющая прямого тока уменьшается.

Инжекционная составляющая прямого тока растет из-за уменьшения высоты потенциального барьера и перераспределения носителей заряда по энергетическим уровням. Поэтому ток впадины у туннельного диода растет с увеличением температуры.

Экспериментальная установка.

Измерить вольт-амперные характеристики диодов можно с помощью установки, схема которой приведена на рис.8.

Рис.8. Электрическая схема для исследования ВАХ характеристик диодов.

Здесь E – источник тока, R - -сопротивление, A – амперметр,V – вольтметр. В качестве амперметра и вольтметра используются мультиметры, с автоматическим отключением питания. Если это произошло, то необходимо просто заново включить мультиметр.

Порядок выполнения работы.

1. Включить источник тока с помощью переключателя на задней панели прибора. Включить мультиметры, проверить правильность подключения соединительных проводов и выбранных пределов измерений. Подключить диод D1.

2. Плавно изменяя напряжение от 0 до 500 мВ с шагом приблизительно 100 В, затем от 500 мВ до 800 мВ с шагом 50 мВ, снять вольт-амперную характеристику (ВАХ), т.е. зависимость тока через диод от напряжения, диода D1. Данные занести в табл. 1.

Табл.1. Прямая ветвь ВАХ диода D1.

Uпр, мВ	Iпр, мА

3. Поменять полярность на источнике тока. Плавно изменяя напряжение от 0 до 7 В с шагом 1 В, а затем от 7 до 8,5 В с шагом 0,1 В снять обратную ветвь ВАХ диода. Данные занести в табл.2.

Табл.2.

Uобр, В	Iобр, мкА

4. Повторить пункты 2 и 3 для диода D2 и пункт 2 для диода D3.

5. Выключить мультиметры и источник тока.

Обработка результатов.

1. Построить прямые ветви ВАХ диодов D1 и D2 (на одном графике).

2. Построить обратные ветви ВАХ диодов D1 и D2 (на одном графике). Определить U_пр для диода D2.

3. Построить прямую ветвь ВАХ диода D3. Определить параметры туннельного диода: I_п, I_в, I_п/I_в, U_п, U_в.