2. Вольтамперная характеристика

Видеальном туннельном диоде туннельный ток должен уменьшаться до нуля при напряженииV, когда края зоны проводимости и валентной зоны перестают перекрываться. При больших напряжениях должен течь только диффузионный ток, вызванный инжекцией неосновных носителей (рис. 2.1). В действительности ВАХ туннельного диода при таких напряжениях существенно превышает обычный диодный ток за счет протекания «избыточного» тока (рис.2.4).

Рис. 2.4

Основная причина избыточного тока − туннелирование носителей через глубокие энергетические уровни, расположенные в запрещенной зоне (рис.2.4).

Расчет дает следующее выражение для полной статической ВАХ туннельного диода:

.

Вклад туннельного тока в полный ток является определяющим при , избыточный ток наиболее существенен при, а диффузионный ток преобладает при.

3. Основные параметры и применения туннельного диода

Из сказанного выше следует, что для изготовления туннельных диодов необходимы такие полупроводники и легирующие примеси, которые позволяли бы получать высокие концентрации носителей в разрешенных зонах и в то же время в запрещенной зоне не возникало бы высокой плотности глубоких состояний. Параметром качества, характеризующим, насколько выполняется это требование, является отношение пикового тока к току долины(рис. 2.1б):

.

Хотя туннельные диоды удалось создать из нескольких десятков различных полупроводников, практическое применение находят только три из них − Ge, GaAs и GaSb, в которых удалось получить отношение K > 15. Типичные ВАХ туннельных диодов на Ge, GaAs и GaSb представлены на рис. 2.5

Рис.2.5

Параметр качества возрастает при уменьшении диффузионного тока, который снижается с увеличением ширины запрещенной зоны исходного материала (диффузионная ветвь ВАХ сдвигается вправо). Поэтому хорошим материалом для туннельных диодов является GaAs.

Необходимость создания двух вырожденных полупроводниковых слоев с противоположным типом проводимости существенно затрудняет реализацию туннельных диодов в типовых маршрутах изготовления ИС. Поэтому в настоящее время туннельные диоды изготавливаются в виде дискретных элементов.

Типичные значения параметров ВАХ туннельных диодов на основе GaAs составляют:

мА;;;.

Другой характеристикой туннельных диодов, сильно зависящей от уровня легирования, является его быстродействие. Процесс туннелирования электронов через потенциальный барьер происходит практически мгновенно. Поэтому быстродействие туннельных диодов в основном определяется барьерной емкостью тонкогор-п перехода.

Собственное быстродействие туннельного диода можно оценить постоянной времени

,

где — ток, переключающий диод с туннельной ветви на диффузионную (или обратно),— переключаемый заряд. Таким образом,

.

Типичное значение постоянной времени составляет 5…10 пс. Таким образом, туннельные диоды являются весьма быстродействующими приборами. Они применяются главным образом в измерительной технике для формирования резких перепадов напряжения небольшой амплитуды, которые используются для калибровки измерительных приборов.