1.11. Туннельные диоды

Туннельные диоды – это полупроводниковые приборы, ВАХ которых имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 24).

Рис. 24

Туннельные диоды изготавливаются из полупроводников с высокой концентрацией примесей. Вследствие этого толщина запирающего слоя p-n-перехода очень мала (0,010,02мкм), что создает условия для туннельного эффекта.

Наличие высокой концентрации примесей вызывает расщепление примесных уровней в зоны и сильное искривление энергетических зон.

При подаче обратного напряжения ток через диод резко увеличивается (туннелирование электронов из p в n область). Это эквивалентно туннельному пробою p-n-перехода.

При подаче обратного напряжения ток через диод резко увеличивается (туннелирование электронов из p в n область). Это эквивалентно туннельному пробою p-n-перехода.

При подаче прямого смещения возрастает поток электронов туннелированных из n области в p. По мере роста U_пр происходит увеличение I_пр, который достигает I_max при U₁(0  1) (для германиевых диодов U₁ = 40  50 мВ; для арсенид галлиевых - U₁ = 100  150 мВ). При этих смещениях величина диффузионного тока через потенциальный барьер ничтожна, и I_пр определяется только туннельным эффектом. При дальнейшем увеличении U_ПР, I_ПР уменьшается (перекрытие энергетических зон уменьшается). При U_ПР = U₂ туннельный ток равен нулю (12).

Этот участок ВАХ характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением т.к.I < 0.

В т.2 I_ПР= I_min – это обычный прямой диффузионный ток диода. (т.е. в т.2 туннельный диод ведет себя как обычный диод), туннельный эффект закончился.

При дальнейшем увеличении U_ПР, I_ПР увеличивается (23) за счет роста диффузионного тока – преодоление электронов потенциального барьера.

Основные особенности ВАХ туннельных диодов:

• участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением R_диф;

• большие токи при обратных смещениях.

Основные параметры:

• ток максимальный I_max – соответствует пику ВАХ;

• ток минимальный I_min – соответствует минимуму ВАХ;

• напряжение пика U₁ – соответствует току I_max;

• напряжение U₂ – соответствует I_min;

• максимальный I_ПР;

• U_ПР соответствует I_ПРmax;

• постоянное обратное напряжение;

• емкость диода.

Туннельные диоды используются в переключающих цепях сверхвысокого быстродействия (до 1000 мГц).

Разновидностью туннельных диодов являются обращенные диоды. Их особенность – это практическое отсутствие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на прямой ветви ВАХ (рис. 25).

По форме ВАХ обращенного диода представляет перевернутую ВАХ обычного диода.

Открытое состояние для таких диодов соответствует обратному смещению. При обратном смещении ток через диод очень сильно зависит от напряжения. Достоинство – диоды могут работать при очень малых напряжениях.

Рис. 25

Они обладают хорошими частотными свойствами, т.к. туннелирование процесс малоинерционный, а смещения малы, поэтому практически отсутствует инжекция и накопление неосновных носителей.

Обращенные диоды используются в диапазоне СВЧ. Достоинством туннельных и обращенных диодов является высокая радиационная стойкость, вследствие высокой концентрации примесей.