Введение. Изучение физических свойств полупроводников способствовало появлению и быстрому развитию полупроводниковой электроники и

Изучение физических свойств полупроводников способствовало появлению и быстрому развитию полупроводниковой электроники и, в частности, радиоэлектроники, оптоэлектроники, вычислительной техники, автоматики, СВЧ-техники и т.п.

В достаточно большом ряду полупроводниковых приборов туннельный диод занимает особое место. Отличительной особенностью туннельного диода является наличие на прямой ветви вольтамперной характеристики (ВАХ) участка с отрицательной дифференциальной проводимостью (или отрицательным дифференциальным сопротивлением). Такая форма характеристики позволила использовать туннельные диоды для генерации электрических колебаний (до частот порядка Гц).

Важной характеристикой полупроводниковых диодов является их быстродействие, т.е. способность быстро реагировать на изменение внешнего напряжения. Туннельный диод явился одним из первых приборов, который имеет очень высокую скорость переключения, порядка наносекунд ( 10^-10 с). Поэтому они с успехом используются в импульсных схемах цифровых вычислительных машин, а также для детектирования (выпрямления).

Туннельный диод является базовым элементом многих полупроводниковых приборов. Это обусловлено физическими свойствами, которые связаны с квантово-механическим эффектом туннельного прохождения электронов через тонкий потенциальный барьер р—n перехода. Таким образом, туннельный диод представляет собой пример практического инструмента квантовой механики в современной технике.

Туннельный диод - это изготовленный из сильно легированных полупроводников диод, в котором туннельный эффект приводит к появлению на прямой ветви вольтамперной характеристики участка отрицательной дифференциальной проводимости (отрицательного дифференциального сопротивления). Основой туннельного диода так же, как и обычного полупроводникового диода, является электронно-дырочный переход (р—n переход). Однако у туннельных диодов уровень Ферми Е_F находится не в запрещенной зоне, а в валентной зоне для p-области и в зоне проводимости для n-области диода.

Уровнем Ферми называется энергетический уровень, вероятность заполнения которого при температуре, отличной от абсолютного нуля, равна 0, 5. Уровень Ферми лежит в запрещенной зоне при относительно слабом легировании, примерно до 1017 атомов/см³. Перемещение уровня Ферми из запрещенной зоны в разрешенную у различных полупроводниковых материалов происходит при разной степени легирования примесей и зависит от вида легирующей примеси. Например, для германия (Ge) при комнатной температуре степень легирования должна быть не ниже 2*10¹⁹ атомов/см³; для кремния (Si) - не ниже 6*10¹⁹ атомов/см³; вырождение арсенида галлия (GaAs) наступает при легировании примесей ~1018 атомов/см³.

Энергетическая зонная диаграмма туннельного диода, находящегося в состоянии термодинамического равновесия, показана на рис. 1.а, из которого следует, что при внешнем напряжении равном нулю валентная зона р-области частично перекрывается с зоной проводимости n-области. На границе p- и n-областей образуется тонкий потенциальный барьер, толщиной около 10 см. Из квантовой механики известно, что существует отличная от нуля вероятность проникновения микрочастиц сквозь тонкие потенциальные барьеры. Эта вероятность зависит от высоты и ширины потенциального барьера.

Принцип работы туннельного диода основан на т.н. туннельном эффекте. Туннельным эффектом называется отличная от нуля вероятность того, что микрочастица, обладающая энергией ниже высоты потенциального барьера, оказывается за ним (проходит сквозь барьер) или микрочастица с энергией ниже высоты барьера отражается от него. В туннельном диоде благодаря наличию потенциального барьера малой толщины (тонкий потенциальный барьер) становится возможным прохождение (туннелирование) электронов из области п- в p-область (поток 2, рис.1) и из p- в n-область (поток 1, рис. 1). Поток 2 создает прямой ток, поток 1 - обратный. При отсутствии внешнего поля (туннельный диод находится в состоянии термодинамического равновесия) эти потоки равны, поэтому равен нулю и результирующий ток через переход. Качественное описание происхождения ВАХ туннельного диода можно свести к следующему.

Если к p-n-переходу приложить напряжение в прямом направлении (плюс источника напряжения - на р-область), то перекрытие зон уменьшится (рис. 1а, а потом б). На одной энергетической высоте окажутся часть заполненных электронами уровней в зоне проводимости n-полупроводника и часть свободных от электронов уровней валентной зоны p-полупроводника. Увеличится, таким образом, вероятность перехода электронов из n-полупроводника в p-полупроводник, поток 2 будет превышать поток 1 и в переходе возникнет прямой ток i. С ростом напряжения U ток будет увеличиваться до тех пор, пока дно зоны проводимости n-области не будет располагаться на одной высоте с уровнем Ферми p-области (рис. 1в), при этом ток достигает своего максимального значения . При дальнейшем увеличении напряжения прямой ток будет уменьшаться, так как вероятность туннельного перехода электронов пропорциональна числу свободных уровней в валентной зоне и числу заполненных уровней в зоне проводимости, расположенных друг против друга (рис. 1г). При некотором напряжении дно зоны проводимости будет расположено на одном уровне с потолком валентной зоны, при этом туннельный ток будет равен нулю (рис. 1д). Одновременно будет течь небольшой диффузионный ток, как в обычном диоде (на рисунке 1е указан пунктиром).

При дальнейшем увеличении напряжения этот ток будет возрастать (рис.1е) по закону:

, (1)

где i_s -ток насыщения, включающий электронную и дырочную составляющие; e -величина элементарного заряда; U - напряжение, приложенное в прямом направлении: T - температура; k - постоянная Больцмана.

Ток i_d связан с диффузией быстрых электронов и дырок и их проникновением в другую часть перехода через потенциальный барьер (см. рис. 1д, е ). При данном U этот ток растет с увеличением температуры. Туннельные же токи слабо зависят от температуры. На рис.1е пунктирной кривой, переходящей в сплошную, показана прямая ветвь вольт-амперной характеристики (ВАХ), соответствующая диффузионному току i_d[*].

На рис. 2 приведена полная ВАХ туннельного диода. Особенностью этой характеристики является наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением (от точки с координатами i_п, U_п до точки с координатами i_в, U_в). Пунктирной кривой обозначен туннельный ток. Минимальное значение тока i ВАХ объясняется наличием диффузионных токов, так как туннельный ток в этой области ВАХ близок к нулю. Обратная ветвь ВАХ туннельного диода также имеет характерную особенность: в отличие от обычных диодов обратный ток туннельного диода резко возрастает с увеличением напряжения. Это также, объясняется туннельным эффектом.

При отрицательном смещении на переходе диода перекрытие зон возрастает (см. диаграмму энергетических зон на рис. 2), и значительно увеличивается вероятность туннельного перехода электронов из p-области в зону проводимости n-области. Вероятность же туннельного перехода электронов из зоны проводимости n-области в валентную зону р-области уменьшается до нуля, так как в валентной зоне соответствующие уровни заполнены.

При подаче на туннельный диод внешнего поля высота потенциального барьера р—n -перехода диода изменится на величину

, (2)

где E_Fn – уровень Ферми в полупроводнике п- типа, E _p – уровень Ферми в полупроводнике p-типа.

Туннельный диод используется для генерации и усиления электромагнитных колебаний, в переключающих схемах и т.п. Промышленность выпускает туннельные диоды из арсенида галлия и германия. Возможности технического применения туннельных диодов в радиоэлектронных схемах связаны со следующими параметрами (см. рис. 2):

i - максимальный ток - прямой ток в точке максимума ВАХ, при котором значение di/dU равно нулю. Численное значение этого тока различно для туннельных диодов разного назначения (разных типов). Величина его колеблется от десятых долей миллиампера до сотен миллиампер;

i_в – минимальный ток - прямой ток в точке минимума ВАХ, при котором значение di/dU также равно нулю;

i_п/i_в - отношение максимального тока к минимальному току; для туннельных диодов из арсенида галлия i_п/i_в 10; для германиевых туннельных диодов i_п/i_в = 3 6;

U - прямое напряжение, соответствующее максимальному току; для туннельных диодов из арсенида галлия Uп = 100 - 150 мВ;

для германиевых Uп=40 - 60мВ;

U - прямое напряжение, соответствующее минимальному току; для туннельных диодов из арсенида галлия Uв = 400 500 мВ; для германиевых Uв=250 300мВ;

Uрр — напряжение раствора - прямое напряжение, большее напряжения U , при котором ток равен максимальному;

r =dU/di — отрицательное дифференциальное сопротивление (сопротивление переменному току на падающем участке ВАХ диода).

Интересны также такие параметры, как удельная ёмкость, резонансная частота туннельного диода и др., но их измерение и вычисление не входит в данную работу.

Параметры туннельного диода зависят от физических свойств исходного полупроводникового материала, от концентрации примесей и ее распределения и т.п. Например, чем больше ширина запрещенной зоны исходного полупроводника, тем при больших напряжениях наблюдается отрицательное дифференциальное сопротивление.