182

2. Туннельные диоды

2.1. Устройство и принцип действия

Туннельный диод, изобретенный Л. Эсаки (Нобелевская премия 1973г), представляет собой полупроводниковый диод на основе р-п перехода, у которого как р-область (анод А), так и п-область (катод С) выполнены из вырожденного (сильно легированного) полупроводника (рис. 2.1а), поэтому ОПЗ р-п перехода имеет весьма малую ширину ().

В результате потенциальный барьер в р-п переходе оказывается туннельно прозрачным как для электронов зоны проводимости п-области, так и для электронов валентной зоны р-области.

В явлении туннелирования главную роль играют основные носители. Время туннелирования носителей через потенциальный барьер не описывается на привычном языке времени пролета (, где− ширина барьера,− скорость носителей); оно описывается с помощью вероятности квантовомеханического перехода в единицу времени и очень мало. Поэтому туннельные диоды можно использовать в диапазоне миллиметровых волн (> 30 – 300ГГц).

При подаче напряжения на переход электроны могут туннелировать из валентной зоны в зону проводимости и наоборот. Для протекания туннельного тока необходимо выполнение следующих условий: 1) энергетические состояния на той стороне перехода, откуда туннелируют электроны, должны быть заполнены; 2) на другой стороне перехода энергетические состояния с той же энергией должны быть свободны; 3) высота и ширина потенциального барьера должны быть достаточно малыми, чтобы существовала заметная вероятность туннелирования; 4) должен выполняться закон сохранения квазиимпульса.

Туннельный диод является негатроном N-типа; его ВАХ представлена на рис. 2.1б.

Работа туннельного диода поясняется энергетическими диаграммами на рис. 2.2. В отличие от методики, принятой при анализе традиционных полупроводниковых приборов, здесь мы не будем использовать понятия квазичастиц — электронов проводимости и дырок в валентной зане, ограничившись рассмотрением поведения реальных электронов как в зоне проводимости, так и в валентной зоне.

Согласно 1) и 2) требованиям туннелировать через барьер могут лишь те электроны, энергии которых соответствуют разрешенные энергетические зоны с противоположной стороны барьера. Эти электроны помечены стрелками на рис.2.2.

Диаграмма 1 соответствует равновесному состоянию V = V₁ = 0. Потоки электронов слева и справа одинаковы, и ток через диод равен нулю: I₁ = 0 (точка 1 на рис. 2.1б).

Диаграмма 2 соответствует малому положительному напряжению V = V₂, не превышающему пикового напряжения V_р на рис. 2.1б. Как видно из диаграммы, туннельный поток электронов слева направо значительно снизился. Туннельный поток электронов справа налево снизился незначительно, так как большинство электронов в зоне проводимости п-области имеют энергии, меньшие . В результате суммарный туннельный ток возрастает с ростом напряжения (точка 2 на рис. 2.1б).

При напряжении V = V₃ > V_p (диаграмма 3) туннельный поток электронов слева направо практически перекрыт. Справа налево туннелируют электроны, энергия которых лежит в диапазон . Число этих электронов уменьшается с ростом напряжения, поэтому суммарный туннельный ток также уменьшается с ростом напряжения, что соответствует отрицательному дифференциальному сопротивлению (точка 3 на рис.2.1б).

Диаграмма 4 соответствует достаточно большому прямому напряжению V = V₄ > V_p, когда туннельные потоки электронов перекрыты (точка 4 на рис. 2.1б). Поток электронов справа налево теперь обусловлен только энергичными электронами в п-области с энергиями . Механизм этого тока соответствует механизму инжекции энергичных электронов через барьер в обычном полупроводниковом диоде. К этому потоку добавляется поток электронов справа налево из валентной зонып-области в незаполненные разрешенные состояния валентной зоны р-области (на диаграмме 4 не показан). Механизм этого тока соответствует механизму инжекции энергичных дырок через барьер из р-области в п-область в обычном полупроводниковом диоде. Указанные токи образуют диффузионную ветвь ВАХ. Диффузионный ток экспоненциально возрастает с ростом прямого напряжения.

Таким образом, прямая ветвь ВАХ туннельного диода формируется из туннельной и диффузионной ветвей, показанных на рис. 2.1б штриховыми линиями. Туннельная ветвь формирует участок ОДС, диффузионная ветвь ВАХ монотонна.

Диаграмма 5 соответствует обратному напряжению V < 0. Как видно из диаграммы, туннельный поток электронов справа налево практически не зависит от напряжения, а поток электронов слева направо резко возрастает с ростом обратного напряжения (точка 5 на рис. 2.1б). Обратная ветвь ВАХ соответствует туннельному пробою с нулевым напряжением пробоя.

Рис.2.3

Процесс туннелирования может быть прямым и непрямым. При прямом туннелировании (рис. 2.3а) электроны могут туннелировать из окрестности минимума зоны проводимости в окрестность максимума валентной зоны без изменения квазиимпульса. Это выполняется для прямозонных полупроводников (например, GaAs, GaSb), у которых совпадают положения дна зоны проводимости и потолка валентной зоны в пространстве квазиимпульсов.

Непрямое туннелирование (рис. 2.3в) происходит, когда положения дна зоны проводимости и потолка валентной зоны в пространстве квазиимпульсов не совпадают. Для выполнении закона сохранения квазиимпульса в процессе туннелирования в этом случае должна принимать участие еще одна частица (фонон или примесный центр). Законы сохранения энергии и квазиимпульса при туннелировании с участием фононов формулируются следующим образом: сумма энергии фонона и начальной энергии электрона, туннелирующего из п- в р-область, равна конечной энергии электрона, протуннелировавшего в р-область; сумма начального квазиимпульса электрона и квазиимпульса фонона равна конечному квазиимпульсу протуннелировавшего электрона. В общем случае вероятность непрямого туннелирования гораздо меньше, чем вероятность прямого.