Дополненик реферату

Принцип работы туннельного диода.

Рис. 7. Энергетическая диаграмма туннельного перехода.

В отличие от рассмотренных выше полупроводниковых диодов, где механизм прохождения тока через p-n переход связан с движением носителей над потенциальным барьером, механизм прохождения тока в туннельном диоде имеет существенное отличие. Этим отличием объясняются и особенности его вольтамперной характеристики, имеющей падающий участок AB. Качественно свойства туннельного диода могут быть объяснены следующим образом. Сильное легирование обеих областей p-n перехода (концентрация доноров достигает 5·10¹⁹ см^-3, акцепторов – 10²⁰ см^-3) делает переход узким – его толщина порядка 100 ангстрем. Вследствие этого имеется конечная вероятность того, что электрон благодаря туннельному эффекту пройдёт сквозь барьер и займёт свободное состояние с той же энергией по другую сторону барьера. Вероятность перехода растёт с увеличением напряжённости поля. При электрическом поле 10⁴ В/см вероятность перехода одного электрона за 1 с равна 10^-100, при 10⁵ В/см переходит электрон в секунду. При напряжённости поля 10⁶ В/см через переход пройдёт 10¹² электронов за 1 с через площадку в 1 см². Так как толщина p-n перехода туннельного диода 100 ангстрем (10^-6 см), а контактная разность потенциалов 0,7 В, то напряжённость поля на переходе будет 7·10⁵ В/см. Энергетическая диаграмма туннельного перехода изображена на рис. 7.

Уровень Ферми оказался не в запрещённой зоне, а в зоне проводимости для n-области и в валентной зоне для p-области. Такой полупроводник называется вырожденным. Как видно из рисунка, в вырожденном полупроводнике нижняя граница зоны проводимости материала n-типа оказывается ниже верхней границы валентной зоны материала p-типа. В отсутствие смещения электроны могут переходить сквозь барьер с одинаковой вероятностью в обоих направлениях. Для этого нужно, чтобы против занятого электроном уровня по одну сторону барьера находился свободный уровень по другую. В состоянии равновесия это условие туннелирования выполняется для p- и n-областей. Поэтому результирующий ток через переход равен нулю. Если к p-n переходу приложить малое напряжение в прямом направлении, то уровни Ферми по обе стороны перехода не будут совпадать и электроны из зоны проводимости будут переходить сквозь барьер на незанятые состояния в валентной зоне.

Наличие падающего участка на вольтамперной характеристике позволяет использовать эти диоды для генерирования колебаний сверхвысоких частот. Падающий участок вольтамперной характеристики расположен в области малых напряжений и занимает небольшой интервал: разность U_max – U_min составляет примерно 200 мВ у германиевых туннельных диодов и 500 мВ у арсенид-галлиевых. Поэтому ограничен верхний уровень усиливаемой и генерируемой мощности. Это один из основных недостатков туннельных диодов.

Важная особенность туннельных диодов состоит в его весьма малой инерционности (другими словами диод имеет большую граничную частоту), что позволяет использовать его в очень широком диапазоне частот (вплоть до СВЧ).

Рис 8.