Как было упомянуто ранее, свое название туннельный диод получил из-за лежащего в его основе работы известного в квантовой механике туннельного эффекта. Еще до открытия Эсаки этот эффект в полупроводниках был достаточно изучен, первоначально Зенером, затем Мак−Аффи, Шокли и другими, которые рассмотрели туннелирование электронов через запрещенную зону в сплошном полупроводнике. Дальнейшее развитие теория туннельного эффекта в полупроводниках получила в фундаментальных работах Л. В. Келдыша.
Следовательно, туннельный диод используется как очень высокочастотный генератор. Поскольку прямое напряжение слегка увеличивается, электронные уровни начинают выравниваться с уровнями дырок на другой стороне перехода, что позволяет некоторым электронам пересекаться.
Этот вид пересечения называется туннелированием. Следовательно, максимальные токи в цепи. Именно поэтому туннельный диод широко используется в специальных приложениях, требующих очень быстрых скоростей переключения, таких как высокоскоростные компьютерные запоминающие устройства и высокочастотные генераторы и т.д.
Основа этого явления заключается в том, что частица (например, электрон 2 на рис.5), имея энергию E эл , которая меньше высоты потенциального барьера E б обладает конечной вероятностью проникновения сквозь этот барьер. Потенциальный барьер E б (например, связанный с работой выхода электрона из металла) по законам классической физики не составляет препятствия для электрона 1, обладающего большей энергией, чем высота этого барьера. При определенных условиях и электрон 2 может преодолеть его, хотя энергия электрона меньше высоты потенциального барьера. Причем этот электрон не огибает барьера, а как бы «туннелирует» сквозь него (отсюда и название эффекта), имея одну и ту же энергию до и после перехода.
Он равен обратному наклону характеристики в этой области. . Его значение зависит от используемого полупроводникового материала. Это почти такой же важный фактор, как отрицательное сопротивление диода. Такие диоды используются в основном для переключения при высоких температурах окружающей среды.
Следовательно, такие диоды имеют самый низкий уровень шума. Эквивалентная схема туннельного диода показана на рисунке. Эти факторы ограничивают частоту, с которой диод может использоваться. Они также важны для определения предела скорости переключения. Обычно диод смещается в отрицательной области. В приложениях смесителя и релаксации он смещен в области положительного сопротивления, ближайшем к нулю.
Такой механизм преодоления потенциального барьера можно связать с волновым представлением движения электрона в твердом теле, когда при столкновении с барьером электрон подобно волне проникает на какую-то глубину внутрь его. В случае барьера конечной толщины имеется какая-то конечная вероятность найти волну (электрон) с другой стороны барьера, что эквивалентно прохождению электроном барьера. Чем меньше ширина барьера, тем больше «прозрачность» его для волны; т. е. тем больше вероятность прохождения электрона сквозь этот потенциальный барьер. При определенных условиях туннельный эффект может
Туннельный диод обычно используется для следующих целей. В качестве переключателя сверхвысокой скорости - благодаря механизму туннелирования, который по существу имеет место как скорость света. Низкий уровень шума Простота эксплуатации Высокая скорость Низкая мощность Нечувствительность к ядерному излучению. Диапазон напряжения, над которым он может работать правильно, составляет 1 В или менее: будучи двух терминальным устройством, он не обеспечивает изоляции между входными и выходными цепями. В этом отношении он очень похож на одноходовой транзистор. . Туннельный диод представляет собой тип микроволнового полупроводникового диода, который может использоваться как в генераторах, так и в усилителях.
наблюдаться в p -n -переходе. Чтобы найти условия, при которых возможен туннельный эффект, необходимо выяснить влияние параметров перехода на вероятность туннельного эффекта.
Ширина сплавного p -n -перехода связана с концентрацией примесей в полупроводнике следующим образом:
где ε - диэлектрическая проницаемость материала;
Эффект туннелирования дает туннельному диоду отрицательную область сопротивления, что позволяет использовать его в качестве осциллятора, а также в приложениях предварительного усилителя на частотах в микроволновой области. Они использовались в фронтальных осцилляторах телевизионного приемника и схемах запуска осциллографа и т.д.
Однако сегодня применение туннельных диодов менее широко распространено, поскольку три терминальных устройства часто могут обеспечить более высокий уровень производительности во многих областях. Исследовательский студент по имени Эсаки в Д. он изучал свойства и характеристики сильнолегированных германиевых соединений для использования в высокоскоростных биполярных транзисторах. Эсаки выпустил несколько сильнолегированных соединений для высокоскоростных биполярных транзисторов. Когда он тестировал и использовал эти устройства, он обнаружил, что они вызвали колебания на микроволновых частотах в результате эффекта туннелирования.
e - заряд электрона.
При обычном легировании полупроводниковых материалов (концентрация примесей донорных или акцепторных порядка 10 16 см −3) обедненный слой получается довольно широким (около 10 −4 см). При такой ширине перехода вероятность туннелирования электронов через него пренебрежимо мала.
Вероятность W эл
туннельного прохождения электрона через p
-n
-переход для треугольного потенциального барьера определяется следующим выражением
Символ туннельного диода, используемый на принципиальных схемах, основывается на использовании основного диодного символа. Чтобы отличить символ туннельного диода от стандартного диодного символа, секция шлейфа символа схемы добавляет дополнительные хвосты.
Тем не менее туннельный диод является полезным устройством для определенных приложений. Одна область, в которой туннельный диод может быть с пользой использована, - это военное и другое оборудование, которое может подвергаться воздействию магнитных полей, высокой температуры и радиоактивности. Тонкий диод более устойчив к воздействию этих сред и, как таковой, все еще может быть с пользой использован.
где E g − ширина запрещенной зоны (здесь принято E g ≈ e·φ k что справедливо для вырожденных полупроводников).
Для определения плотности туннельного тока необходимо найти вероятное количество электронов, проходящих через потенциальный барьер в 1 сек.
Оно будет равно произведению вероятности туннелирования электрона W эл
на число столкновений электрона с барьером за 1 сек,
равному a·E g /ћ·δ (а-
постоянная решетки кристалла), т. е.
Еще одним преимуществом туннельного диода, который начинает обнаруживаться, является его долговечность и надежность. После изготовления его производительность остается стабильной в течение длительных периодов времени, несмотря на ее использование, когда другие устройства могут ухудшаться или терпеть неудачу.
Основы теории туннельного диода позволяют понять получение диода. По сути, это очень высокие уровни легирования, используемые в туннельном диоде, его уникальные свойства и характеристики. Теория туннельного диода показывает, что она не действует как нормальный диод, но вместо этого имеет отрицательную область сопротивления в прямом направлении.
С ростом степени легирования материала ширина p -n -перехода уменьшается и вероятность туннелирования возрастает. При концентрации примесей 10 19 -10 20 см −3 , соответствующих вырождению, ширина перехода получается порядка 100 А° и вероятное количество туннельных переходов электрона за 1 сек будет уже порядка 10 12 (для германия). При этом напряженность электрического поля в p -n -переходе около 10 6 в/см и переброс электронов за счет эффекта Зенера еще не сказывается.
Ключом к пониманию теории туннельного диода является характеристическая кривая, в которой есть отрицательный наклон - это указывает на область отрицательного сопротивления. Область отрицательного сопротивления означает, что если напряжение увеличивается, ток фактически падает - противоположный закону Ома.
Характеристики вблизи начала графика практически симметричны. Характеристическая кривая туннельного диода состоит из нескольких различных элементов. Три составляющие тока туннельного диода суммируются вместе, чтобы дать общую характеристическую кривую, которая часто встречается в объяснениях теории туннельного диода.
Таким образом, туннельный эффект становится практически ощутимым лишь в сильнолегированных материалах. Изучая узкие сильнолегированные сплавные переходы в германии, Эсаки и открыл новый тип полупроводникового прибора - туннельный диод, вольтамперная характеристика которого изображена на рис. 6, а в сравнении с вольтамперной характеристикой обычного диода, изображенной штриховой линией.
Это дает теоретическое указание на работу туннельного диода. После долгих размышлений было решено отобразить транзисторную и транзисторную радиотехническую линию, в которой было пятнадцать женщин-работников, которые вглядывались в микроскопы и собранные детали.
Фактически, толпы были настолько велики, что веревки нужно было нарисовать вдоль всех лестниц, чтобы контролировать длинные очереди ожидания. Температура в холле была на 3 с выше, чем остальная часть здания. К тому времени многие японские компании начали выпускать транзисторы. Однако их производственные процессы были тщательно охраняемыми секретами, и сама идея поставить их на всеобщее обозрение была немыслима.
Энергетическая диаграмма туннельного перехода при отсутствии внешнего смещения была показана на рис. 4. Образовавшееся вследствие вырождения полупроводникового материала перекрытие зон является необходимым условием для возможного туннелирования электронов через потенциальный барьер узкого p -n -перехода. Положение уровня Ферми затенено снизу для выделения того уровня энергии электронов в разных материалах, который находится в одинаковых энергетических условиях при термодинамическом равновесии тел. Вероятность заполнения этого уровня, как известно, равна половине. Такому выделению уровня Ферми способствует и слабая зависимость его положения в примесных полупроводниках от изменения температуры в пределах, встречающихся на практике. Подобное выделение этого уровня облегчает рассмотрение вопросов, связанных с распределением электронов по энергетическим уровням в зонах.
Высокочастотные транзисторы требуют создания тонкого базового слоя с большим количеством примесей. Наверху должен быть нанесен слой эмиттера, также содержащий много примесей. Чем выше эффективная концентрация примеси в эмиттере, тем больше усиление транзистора. Проблема заключалась в определении верхнего предела концентрации примесей. Цукамото поразил идею использования фосфора вместо обычной сурьмы в качестве примеси в эмиттере. после его выздоровления Цукамото провел эксперименты, чтобы подтвердить свою теорию.
Результаты были беспрецедентными, и были получены частотные характеристики в пять раз выше, чем у модели 2Т5. Помимо определенных уровней сурьма препятствует образованию монокристаллов германия и, следовательно, не может использоваться в больших С другой стороны, фосфор можно смешивать с германием в неограниченных объемах, и чем выше концентрация, тем лучше кристаллы.
Такой подход и применен (рис. 6, б -ж) для объяснения формы вольтамперной характеристики туннельного диода.
При отсутствии внешнего смещения на p -n -переходе уровень Ферми имеет одинаковое энергетическое положение в p- и n -областях (см. рис. 6. б). Распределение электронов выше и ниже уровня Ферми в обеих областях перекрывающихся
И поскольку фосфор не диффундирует столько же, сколько сурьма в германии, толщина основания может быть легко сделанные для разработки спецификаций. Ивама был вне себя от радости от нового транзистора, называемого 2Т. Фактически, транзисторы уже были вовлечены в жестокую ценовую войну.
Мало кто понял, что с самого начала их ожидала большая ловушка. Проблема возникла во время соединения проводника с основанием транзистора. Транзисторы отображали удовлетворительные характеристики с тяжелым легированием фосфором после рисования и резки, но внезапно прекратили функционировать, как только свинцовая проволока была прикреплена к основанию. Процент урожайности составлял менее 10%. Производственная группа все больше и больше беспокоилась о том, что они не будут соответствовать графикам производства радио.
частей зон будет аналогичное, что определяет одинаковые вероятности для туннелирования электронов слева направо и справа налево. Результирующий ток через переход в этом случае равен нулю, что соответствует точке в
на вольтамперной характеристике (см. рис. 6, а)
Команда Цукамото начала искать причину, проверив характеристики дефектного перехода эмиттера. Измерения на разных уровнях концентрации были выполнены для определения максимальной приемлемой концентрации фосфора. Примерно через месяц после начала измерений Сузуки заметил странное явление в кристаллах с высокой концентрацией фосфора. Однако при построении этих результатов на графике Сузуки обнаружил, что обратное смещение показало большие токи, а кривая с необычным пиком появилась в прямом смещении.
Сначала Эсаки тоже подумал, что это была какая-то ошибка. Сузуки настаивал на том, что это может быть продемонстрировано визуально, однако, и под руководством Эсаки он произвел цифру на электронно-лучевой трубке. После нескольких испытаний и двойной проверки измерительных цепей они наконец поняли, что это не ошибка. С этими знаниями Эсаки был на пороге открытия диода Эсаки.
При подаче на переход прямого смещения (плюс источника питания на p -область и минус - на n -область), уменьшающего перекрытие зон. Энергетические распределения электронов смещаются друг относительно друга совместно с уровнями Ферми (см рис. 6. в). Это приводит к преобладанию электронов в n -области над электронами одной и той же энергии в p -области и количества свободных уровней в p -области над незанятыми уровнями в n -области на одинаковых уровнях в месте перекрытия зон. Вследствие этого поток электронов из n -области в p -область будет преобладать над обратным потоком и во внешней цепи появится ток, что соответствует точке в на характеристике (см. рис. 6, а).По мере роста внешнего смещения результирующий ток через переход будет увеличиваться до тех пор, пока не начнет сказываться уменьшение перекрытия зон, как это показано на рис. 6, г . Это будет соответствовать максимуму туннельного тока. При дальнейшем увеличении напряжения в результате уменьшения величины перекрытия зон туннельный ток начнет спадать и наконец спадает до нуля (штрих-пунктир на рис. 6, а) в момент, когда границы дна зоны проводимости и потолка валентной зоны совпадут (см. рис. 6, д).
Следующей задачей Эсаки было определить причину отрицательного сопротивления, которое было представлено пиком на графике. Эсаки предположил, что это явление может быть «туннельным эффектом прямого смещения». Согласно квантовой механике, все материю можно рассматривать как волны, поэтому энергия сосредоточена на пике этих волн. «Туннельный эффект»относится к частицам, которые проходят через эти волны энергии. До тех пор ученые все были занятый феноменом туннелирования обратного смещения.
Эсаки первым осознал значение эффекта прямого смещения туннеля. В следующем году эти результаты были опубликованы в американском физическом журнале и объявлены на Международной конференции по физике твердого тела, состоявшейся в Брюсселе. Хотя это открытие получило широкое признание во всем мире, первоначальный отклик японских научных и промышленных кругов был крутым? в то время они практически не обращали на него внимания.
Из рассмотрения действительной вольтамперной характеристики туннельного диода видно, что ток в точке д не равен нулю. Это можно понять, если учесть, что при положительном смещении будет иметь место инжекция электронов из электронной области в дырочную и инжекция дырок из дырочной области в электронную, т. е. появится диффузионная компонента тока, как в обычном p -n -переходе. При этом носители проходят над потенциальным барьером, величина которого уменьшена приложенным внешним положительным смещением (за счет своей тепловой энергии), в то время как при туннельном эффекте они проходят сквозь него.
Ученые за пределами Японии первыми признали значение диода Эсаки. Уильям Шокли, один из первооткрывателей транзистора и председатель конференции, дал общие сведения о бумагах для чтения. Хотя он не мог понять все сказанное, он понял, что Шокли снова и снова упоминал его имя. Здесь, перед самыми известными учеными мира, Шокли радовал хвалу на диоде Эсаки как многообещающее новое высокочастотное устройство. Это раскололо диод Эсаки на славу.
Поскольку диод реализовал отрицательное сопротивление и эффект туннелирования был чрезвычайно быстрым явлением, диод Эсаки можно было использовать в устройствах с высокой частотой колебаний, усиления и коммутации каналов. Он приобрел еще большее внимание и популярность благодаря своей способности увеличить скорость работы электронных компьютеров, чего ожидали американские ученые.
Но расчеты показывают, что ток в точке д вольтамперной характеристики значительно больше диффузионного тока. который должен быть при этом напряжении смещения. Превышение действительного тока над диффузионным, обусловленным инжекцией, получило название избыточного тока. Природа его еще до конца не выяснена, но температурная зависимость этого тока говорит, что он имеет туннельный характер. Предполагаемый механизм туннельного перехода через глубокие уровни в запрещенной зоне показан на рис. 6, д. Электрон из зоны проводимости переходит на примесный уровень и с него туннелирует в валентную зону.
Возможны и другие механизмы переходов, но этот наиболее вероятен.
В случае дальнейшего увеличения положительного смещения от точки д ток через диод опять начнет возрастать по тому же закону, что и в обычном диоде. Зонная схема, соответствующая этому случаю, изображена на рис. 6, е. Стрелки показывают, что носители должны взбираться на барьер, а не проходить сквозь него, как при туннелировании.
При подаче на переход обратного смещения перекрытие зон увеличится (рис. 6, ж). В результате против электронов на уровнях в валентной зоне материала p -типа окажется увеличенное число свободных уровней в зоне проводимости материала n -типа. Это приведет к проявлению результирующего потока электронов уже справа налево, и ток во внешней цепи будет обратным. При увеличении смещения обратный ток возрастает. Таким образом, туннельный механизм обратного тока обеспечивает малое обратное сопротивление туннельного диода в отличие от обычного диода, имеющего большое обратное сопротивление.
Следует отметить, что из-за квантово-механической природы туннельного эффекта возникает много трудностей при построении теории туннельного диода. Но в этом направлении ведутся интенсивные работы, особенно по теории вольтамперной характеристики туннельного диода. Полученные выражения пока довольно громоздки и неудобны для использования в аналитическом расчете цепей с туннельными диодами, так как не дают прямой зависимости между током и напряжением.
Обычные диоды при увеличении прямого напряжения монотонно увеличивают пропускаемый ток. В туннельном диоде квантово-механическое туннелирование электронов добавляет горб ввольтамперную характеристику, при этом, из-за высокой степени легирования p и n областей, напряжение пробоя уменьшается практически до нуля. Туннельный эффект позволяет электронам преодолеть энергетический барьер в зоне перехода с шириной 50..150 Å при таких напряжениях, когда зона проводимости в n-области имеет равные энергетические уровни с валентной зоной р-области. При дальнейшем увеличении прямого напряжения уровень Ферми n-области поднимается относительно р-области, попадая на запрещённую зону р-области, а поскольку туннелирование не может изменить полную энергию электрона , вероятность перехода электрона из n-области в p-область резко падает. Это создаёт на прямом участке вольт-амперной характеристики участок, где увеличение прямого напряжения сопровождается уменьшением силы тока. Данная область отрицательного дифференциального сопротивления и используется для усиления слабых сверхвысокочастотных сигналов.
Вольт-амперная характеристика туннельного диода. В диапазоне напряжений от U 1 до U 2 дифференциальное сопротивление отрицательно.
Наибольшее распространение на практике получили туннельные диоды из Ge, GaAs, а также из GaSb. Эти диоды находят широкое применение в качестве генераторов и высокочастотных переключателей, они работают на частотах, во много раз превышающих частоты работы тетродов, - до 30…100 ГГц.
Решил автоматизировать процесс измерения. Линейно возрастающее пилообразное напряжение подал на эмиттерный повторитель, а с выхода повторителя, через 910 Ом на анод диода. Катод диода, через резистор 100 Ом, соединил с общим проводом. Осциллограф подключил параллельно резистору 100 Ом. Вот что показал осциллограф. Верхняя осциллограмма - ток через туннельный диод.
Нижняя осциллограмма - напряжения на туннельном диоде (осциллограф параллельно диоду).
Туннельный диод – это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперной характеристике при прямом напряжении участка с отрицательной дифференциальной проводимостью.
Для изготовления туннельных диодов используют полупроводниковый материал с очень высокой концентрацией примесей 
, вследствие чего получается малая толщина p-n
-перехода (около ), что на два порядка меньше, чем в других полупроводниковых диодах, и сквозь тонкий потенциальный барьер возможно туннелирование свободных носителей заряда.
На рис. 2.13 представлена вольт-амперная характеристика типичного туннельного диода при прямом смещении.
Рис. 2.13. Туннельный диод 1И104:
а – вольт-амперная характеристика при прямом смещении; б – конструктивное исполнение; в – условное графическое изображение импульсных диодов
Параметрами туннельных диодов являются:
1. Пиковый ток – значение прямого тока в точке максимума вольт-амперной характеристики;
2. Ток впадины – значение прямого тока в точке минимума вольт-амперной характеристики;
3. Отношение токов
– (для туннельных диодов из отношение , для германиевых 
);
4. Напряжение пика – значение прямого напряжения, соответствующее пиковому току;
5. Напряжение впадины – значение прямого напряжения, соответствующее току впадины;
6. Напряжение раствора – значение прямого напряжения на второй восходящей ветви, при котором ток равен пиковому току.
Работа туннельного диода иллюстрируется диаграммами, изображенными на рис. 2.14.
Рис. 2.14. Зонные энергетические диаграммы, поясняющие особенности вольт-амперной характеристики туннельного диода
В равновесном состоянии системы уровень Ферми постоянен для обеих областей полупроводникового диода, поэтому другие энергетические уровни искривляются настолько сильно, что нижняя граница дна зоны проводимости области n -типа оказывается ниже верхней границы потолка валентной зоны области p -типа, и так как переход очень узкий, то носители заряда могут переходить из одной области в другую без изменения своей энергии, просачиваться сквозь потенциальный барьер, т. е. туннелировать (рис. 2.14, б).
В состоянии равновесия потоки носителей из одной области в другую одинаковы, поэтому результирующий ток равен нулю. Под воздействием внешнего поля энергетическая диаграмма изменится. При подключении прямого напряжения уровень Ферми и положение энергетических зон сместится относительно равновесного состояния в сторону уменьшения потенциального барьера и при этом степень перекрытия между потолком валентной зоны материала p -типа и дном зоны проводимости материала n -типа уменьшится (рис. 2.14, в). При этом в зоне проводимости материала n -типа уровни, заполненные электронами (ниже уровня Ферми) окажутся против незаполненных уровней в валентной зоне материала p -типа, что приведет к появлению тока, обусловленного большим количеством электронов, переходящих из n -области в p -область. Максимальное значение этого тока будет тогда, когда уровень Ферми материала n -типа и потолок валентной зоны материала p -типа будут совпадать (рис. 2.14, г). При дальнейшем увеличении прямого напряжения туннельное перемещение электронов из n -области в p -область начнет убывать (рис. 2.14, д), так как количество их уменьшается по мере уменьшения степени перекрытия между дном зоны проводимости материала n -типа и потолком валентной зоны материала p -типа. В точке, где эти уровни совпадают, прямой ток p-n -перехода достигнет минимального значения (рис. 2.14, е), а затем, когда туннельные переходы электронов станут, невозможны (рис. 2.14, ж), носители заряда будут преодолевать потенциальный барьер за счет диффузии и прямой ток начнет возрастать, как у обычных диодов.
При подаче на туннельный диод обратного напряжения, потенциальный барьер возрастает, и электрическая диаграмма будет иметь вид, показанный на (рис. 2.14, з). Так как количество электронов с энергией выше уровня Ферми незначительно, то обратный ток p-n -перехода в этом случае будет возрастать в основном за счет электронов, туннелирующих из p -области в n -область, причем, поскольку концентрация электронов в глубине валентной зоны p -области велика, то даже небольшое увеличение обратного напряжения и связанное с этим незначительное смещение энергетических уровней, приведет к существенному росту обратного тока.
Рассмотренные процессы позволяют сделать вывод, что туннельные диоды одинаково хорошо проводят ток при любой полярности приложенного напряжения, т. е. они не обладают вентильными свойствами. Более того, обратный ток у них во много раз больше обратного тока других диодов. Это свойство используется в другом типе полупроводникового прибора – обращенном диоде .
Выводы:
1. Отличительной особенностью туннельных диодов является наличие на прямой ветви вольт-амперной характеристики участка с отрицательным диф-ференциальным сопротивлением. Это позволяет использовать туннельный диод в качестве усилительного элемента.
2. Туннельный эффект достигается за счет очень высокой концентрации примесей в p- и n -областях.
3. Так как возникновение туннельного тока нес вязано с инжекцией носителей заряда, туннельные диоды имеют малую инерционность и вследствие этого могут применяться для усиления и генерации высокочастотных колеба-ний.
На рис. 5.1а приведена вольт-амперная характеристика туннельного диода. Особенность этой характеристики заключается в следующем. В области обратных напряжений обратный ток растет очень быстро с повышением напряжения, т. е. туннельный диод обладает весьма малым обратным дифференциальным сопротивлением. В области прямых напряжений с увеличением напряжения прямой ток сначала растет до пикового значения при напряжении в несколько десятков милливольт, а затем начинает уменьшаться (участок АВ, в пределах которого туннельный диод обладает отрицательной проводимостью. Ток спадает до минимального значения I2 при напряжении порядка нескольких сотен миливольт, в дальнейшем прямой ток вновь начинает увеличиваться с ростом напряжения.
Заштрихованная область вольт-амперной характеристики (рис.5.1 а) соответствует так называемому избыточному току туннельного диода. На этом участке ток туннельного диода определяется суммой двух токов: прямым туннельным током и током диффузии. Однако многочисленные экспериментальные исследования показали, что ток I 2 реального туннельного диода существенно больше тока I 2 идеализированного туннельного диода. Разность этих токов называют избыточным током. Установлено, что он в основном зависит от концентрации технологически неконтролируемых примесей и степени легирования исходного материала, но окончательно природа избыточного тока неясна.
Дифференциальная проводимость G при изменении смещения от 0 до U 3 дважды (в точках, соответствующих напряжениям U 1 и U 2) обращается в нуль, т. е. туннельный диод способен дважды разорвать внешнюю электрическую цепь, превращаясь из пассивного элемента в активный и наоборот. Это обстоятельство привело к широкому применению туннельных диодов в импульсной технике.
Ток, протекающий через туннельный диод, содержит пять составляющих:
Туннельный ток , обусловленный туннельным переходом электронов из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области;
Туннельный ток , обусловленный туннельным переходом электронов из зоны проводимости n-области в валентную зону р-области;
Дрейфовый ток неосновных носителей обеих областей через р-п переход I др;
Диффузионный ток основных носителей обеих областей через р-n переход I диф;
Так называемый избыточный ток, который можно рассматривать как частный случай тока - туннельного перехода носителей с использованием разрешенных (примесных или дислокационных) уровней в запрещенной зоне.
Таким образом, результирующий ток через переход
а)
б)
в)
Рис. 5.1. Характеристики туннельного диода: а), в) вольт-амперные; б) зависимость проводимости диода от напряжения
Подчеркнем различие между туннельными токами сквозь барьер и дрейфовым и диффузионным токами через барьер; в первом случае электроны переходят из валентной зоны одной области в зону проводимости другой области или в обратном направлении; во втором случае электроны (или дырки) переходят из зоны проводимости (валентной) одной области в ту же самую зону другой области. На рис. 5.1 в вольт-амперная характеристика туннельного диода представлена как зависимость суммы токов I n р, I p n и обычного диодного (диффузионного и дрейфового) тока от приложенного напряжения.
Теперь рассмотрим более подробно вольт-амперную характеристику туннельного диода по выделенным на ней отдельным точкам (а, б, в, г, д, е, ж, рис. 5.2):
а) при нулевом смещении электронам проводимости n-области противостоят валентные электроны р-области (рис. 5.2, а). Если все указанные уровни заполнены, то туннельные переходы невозможны. В действительности при комнатной температуре некоторая часть этих уровней освобождается за счет электронов, переброшенных на уровни, расположенные выше уровня Ферми. Поэтому существует определенная вероятность, что валентный электрон р-области, не меняя своей энергии, совершит туннельный переход и займет соответствующий уровень в зоне проводимости n-области. Существует точно такая же вероятность туннельного перехода электрона проводимости n-области в валентную зону p-области. Так как эти вероятности одинаковы, то встречные потоки электронов, совершающих туннельные переходы, взаимно компенсируются и суммарный туннельный ток оказывается равным нулю (I Т =0, рис. 5.2, а). При дальнейших рассуждениях эти составляющие учитываться не будут;
Рис. 5.2. Энергетические диаграммы туннельного диода при различных напряжениях смещения и его вольт-амперная характеристика
б) если к p-n-переходу приложить небольшое прямое напряжение, то энергетические уровни р-области понизятся относительно энергетических уровней n-области (рис. 5.2, б). В этом случае уровни некоторых электронов проводимости n-области расположатся против свободных уровней, находящихся в валентной зоне р-области, что создает благоприятные условия для их туннельного перехода. Поэтому в р-n-переходе появится туннельный ток, величина которого будет зависеть от смещения энергетических зон, т. е. от приложенного прямого смещения (туннельный ток протекает от р-области к n-области в направлении, противоположном движению электронов);
в) при увеличении прямого смещения туннельный ток будет увеличиваться до тех пор, пока не произойдет совмещение уровня Ферми n-области с верхним уровнем валентной зоны р-области. В этом случае туннельный ток достигает максимума, так как против уровней электронов проводимости n-области располагаются все свободные уровни валентной зоны р-области, превышающие уровень Ферми (рис. 5.2, в);
г) при дальнейшем увеличении прямого смещения некоторые уровни электронов проводимости n-области располагаются против запрещенной зоны р-области и туннельный ток уменьшается (рис. 5.2, г). В результате на вольт-амперной характеристике получается участок с отрицательным сопротивлением;
д) при некотором значении прямого напряжения зона проводимости n-области и валентная зона р-области начинают расходиться и туннельный ток прекращается (рис.5.2,д,е);
е) при прямом напряжении в р-n-переходе наряду с туннельным током появляется диффузионный ток, как у обычного диода (на вольт-амперной характеристике он показан штриховой линией). При расхождении зоны проводимости n-области с валентной зоной р-области (начиная с точки д) существует только диффузионный ток и туннельный диод при таком условии подобен обычному диоду, включенному в прямом направлении (рис.5.2, д, е);
ж) при обратном смещении р-n-перехода туннельного диода валентная зона р-области перекрывается с разрешенными и незаполненными уровнями зоны проводимости n-области. При этом возникают условия для относительно свободного туннельного прохождения валентных электронов р-области в зону проводимости n-области. В результате этого появляется значительный туннельный ток обратного направления, величина которого очень сильно зависит от смещения зон, т. е. от величины обратного напряжения (рис. 5.2, ж).
Рис. 5.3. Вольт-амперные характеристики германиевых и арсенидгаллиевых туннельных диодов
На рис. 5.3 приведены для сравнения вольтамперные характеристики туннельных диодов из различных полупроводниковых материалов. Из рисунка видно, что диоды из арсенида галлия обладают наибольшим отношением I 1 /I 2 и напряжением переключения U n .
Из вышесказанного следует, что туннельный диод не имеет запирающего направления. Рабочим участком вольт-амперной характеристики туннельного диода является участок в-д (рис.5.2), на котором он обладает отрицательным динамическим (дифференциальным) сопротивлением:
R i =dU/dI < 0 (5.2)
Минимальное абсолютное значение этого сопротивления является одним из основных параметров туннельного диода. Для различных типов диода оно имеет значение от единиц до десятков Ом.
Другими основными параметрами туннельных диодов являются (рис. 5.1 а ):
Максимальный прямой ток I 1 в точке максимума вольт-амперной характеристики;
Минимальный прямой ток I 2 в точке минимума вольт-амперной характеристики;
Отношение токов в максимуме и в минимуме вольтамперной характеристики I 1 /I 2 ;
Отрицательная дифференциальная проводимость G на участке АВ в точке максимума производной;
Напряжение переключения ΔU n = U 3 -U 1 , которое определяет возможный скачок напряжения на нагрузке при работе туннельного диода в схеме переключения;
Барьерная емкостьC(U 2) диода, которая обычно измеряется при минимуме тока.
Емкость в максимуме тока равна C(U 1) 0,8C(U 2).
Напряжения, соответствующие максимальному и минимальному значениям тока U 1 и U 2 ,
Напряжение раствора U 3 , соответствующее максимальному току на второй восходящей ветви вольт-амперной характеристики.
