Теоретические сведения. Туннельный диод - полупроводниковый диод, содержащий p-n-переход с очень малой толщиной запирающего слоя

ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД - полупроводниковый диод, содержащий p-n-переход с очень малой толщиной запирающего слоя. Действие Т. д. основано на прохождении свободных носителей заряда (электронов) сквозь узкий потенциальный барьер благодаря квантовомеханическому процессу туннелирования. Поскольку вероятность туннельного просачивания электронов через барьер в значительной мере определяется шириной области пространственного заряда в p-n-переходе. Т. д. изготовляют на основе вырожденных полупроводников. При этом получается резкий p-n-переход с толщиной запирающего слоя 5-15 нм. При изготовлении Т. д. обычно применяют Ge и GaAs; реже используют Si, InSb, In As, PbTe, GaSb, SiC и др. полупроводниковые материалы. Для германиевых диодов в качестве донорных примесей, как правило, используют P или As, в качестве акцепторных - Ga и Аl; для арсенид-галлиевых - Sn, Pb, S, Se, Те (доноры), Zn, Cd (акцепторы). Узкий р - n-переход получают чаще всего методом вплавления.

Первый Т. д. создан на основе Ge Л. Эсаки (L. Ezaki) в -1957. Изобретение Т.д. экспериментально подтвердило существование процессов туннелирования в твёрдых телах. Туннельный механизм переноса заряда обусловливает N-образный вид вольтамперной характеристики Т. д. (рис. 1). На рис. 2 приведены упрощённые энергетические диаграммы p-n-перехода Т. д. при различных напряжениях смещения U. В отсутствие внешнего смещения (рис. 2, а) ферми-уровни в вырожденном (по обе стороны от перехода) полупроводнике находятся на одной высоте соответственно в валентной зоне и зоне проводимости (т. е. уровень Ферми постоянен по всему полупроводнику). Примем, что все разрешённые энергетические уровни, расположенные ниже уровня Ферми, заняты, а расположенные выше него - свободны. Тогда при U=0 туннельный переход невозможен и ток I равен нулю (точка А на рис. 1). Если на Т. д. подать небольшое прямое напряжение, то происходит уменьшение высоты потенциального барьера или смещение энергетических уровней p-области относительно энергетических уровней n-области (рис. 2, б). В этом случае электроны проводимости из n-области туннелируют сквозь потенциальный барьер (не меняя своей энергии) на разрешённые свободные энергетические уровни валентной зоны p-области - в Т. д. появляется туннельный ток Iт, направление которого противоположно направлению движения электронов (точка Б на кривой 2, рис. 1). С увеличением U ток I сначала растёт до значения Iмакс (точка В на кривой 2, рис. 1), а затем (по мере того как уменьшается степень перекрытия зоны проводимости области и валентной зоны p-области) убывает. Начиная с некоторого значения Uмин, эти зоны не перекрываются (рис. 2, в) и туннельный ток прекращается (точка Г на кривой 2, рис. 1); через р - n-переход течёт только диффузионный ток Iд. При U> Uмин Т. д. подобен обычному полупроводниковому диоду, включённому в прямом направлении. При подаче напряжений обратного направления (рис. 2, г) в Т. д. существует ток за счёт электронов, туннелирующих из валентной зоны p-области на свободные разрешённые энергетические уровни зоны проводимости области; этот ток быстро возрастает с увеличением обратного напряжения.

Рисунок - 1 ВАX туннельных диодов на основе Ge (1)и GaAs (2): U-напряжение смещения на туннельном диоде; I/Iмакс -отношение тока через диод к току в максиме ВАX; Iмин-ток в минимуме ВАX (отнесённый к Iмакс); Uмакс и Uмин-напряжения смещения, соответствующие токам Iмакс и Iмин; Iт-туннельный ток; Iд -диффузионный (тепловой) ток

Рисунок - 2 Энергетические диаграммы p-n-перехода туннельного диода при различных напряжениях смещения (U1 и U2 - прямые смещения, U3 - обратное смещение); -верхняя граница валентной зоны; -нижняя граница зоны проводимости; - уровни Ферми дырок и электронов; -ширина запрещённой зоны; W-ширина p- n-перехода; I, и Iд - туннельный и диффузионный токи; е - заряд электрона

Основные параметры Т. д.: максимальной прямой ток Iмакс и минимальной прямой ток Iмин, соответствующие им напряжения Uмакс и Uмин (значения этих параметров для Т. д. на GaAs и Ge приведены на рис. Г); отрицательное дифференцированное сопротивление, определяемое наклоном падающего участка ВАХ (ВГ на кривой 2, рис. 1), имеет значения для различных типов Т. д. от единиц до десятков Ом Т. д. могут работать в более широком интервале температур, чем обычные диоды, изготовленные на основе того же материала (до 200 °С германиевые; до 600 °С арсенидгаллиевые). Поскольку рабочий диапазон смещений Т. д. расположен в области значительно более низких напряжений по сравнению с др. полупроводниковыми приборами, то они относительно маломощны (выходная мощность порядка мВт). Малая инерционность процесса туннелирования электронов позволяет применять Т. д. на частотах СВЧ-диапазона вплоть до десятков ГГц. Предельная рабочая частота Т. д. (при использовании его в качестве прибора с отрицательным сопротивлением) выражается через параметры эквивалентной схемы (рис. 3) в виде а резонансная частота паразитных колебаний определяется формулой Для усилителей Т. д. необходимо, чтобы выполнялись условия , где fо - рабочая частота. Величинами Rп Сп, rs, а соответственно и частотными характеристиками диода можно управлять, если изменять степень легирования областей полупроводника по обе стороны от р-n-перехода (с увеличением степени легирования частотный предел Т. д. возрастает). Частотные соотношения Т. д. накладывают также ограничения на технологию изготовления и конструктивное оформление диодов: в Т. д., чтобы достичь малых Lк, электрический контакт к вплавленной металлический капле на кристалле полупроводника выполняют с помощью металлической мембраны, ленточного лепестка или пластины; при этом Lк составляет 10-10 Гн. Обычно Т. д. оформляются в металлокерамическом корпусе.

Рисунок – 3 Эквивалентная схема туннельного диода: Rп и Сп-дифференциальное сопротивление и ёмкость р -n-перехода; rs-омическое сопротивление потерь; Lk и Ск - индуктивность и ёмкость корпуса

Т. д. находят применение в схемах усилителей и генераторов СВЧ-диапазона, в быстродействии переключающих устройствах, устройствах памяти с двоичным кодом и т. д.