Туннельный диод (Эсаки диод). РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Туннельный диод (Эсаки диод)

Туннельный диод (Эсаки диод) - полупроводниковый диод, содержащий p-n-переход с очень малой толщиной запирающего слоя. Действие туннельного диода основано на прохождении свободных носителей заряда (электронов) сквозь узкий потенц. барьер благодаря квантовомеханич. процессу туннелирования (см. Туннельный эффект ).Поскольку вероятность туннельного просачивания электронов через барьер в значит. мере определяется шириной области пространств. заряда в p-n-переходе, туннельные диоды изготовляют на основе вырожденных полупроводников (с концентрацией примесей до 10²⁵- 10²⁷ м^-3). При этом получается резкий p-n-переход с толщиной запирающего слоя 5-15 нм. При изготовлении туннельных диодов 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 туннельный диод 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 вольт-амперной характеристики Т. д. (рис. 1). На рис. 2 приведены упрощённые энергетич. диаграммы p-n-перехода Т. д. при разл. напряжениях смещения U. В отсутствие внеш. 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 энергетич. 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 потенц. барьера или смещение энергетич. уровней p-области относительно энергетич. уровней n-области (рис. 2, б). В этом случае электроны проводимости из n-области туннелируют сквозь потенц. барьер (не меняя своей энергии) на разрешённые свободные энергетич. уровни валентной зоны p-области - в Т. д. появляется туннельный ток I_т, направление к-рого противоположно направлению движения электронов (точка Б на кривой 2, рис. 1). С увеличением U ток I сначала растёт до значения I_макс (точка В на кривой 2, рис. 1), а затем (по мере того как уменьшается степень перекрытия зоны проводимости и-области и валентной зоны p-области) убывает. Начиная с нек-рого значения U_мин, эти зоны не перекрываются (рис. 2, в)и туннельный ток прекращается (точка Г на кривой 2, рис. 1); через р - n-переход течёт только диффуз. ток I_д. При U>U_мин 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 энергетич. уровни зоны проводимости и-области; этот ток быстро возрастает с увеличением обратного напряжения.

Рис. 1. ВАX туннельных диодов на основе Ge (1)и GaAs (2): U-напряжение смещения на туннельном диоде; I/I_макс -отношение тока через диод к току в максиме ВАX; I_мин-ток в минимуме ВАX (отнесённый к I_макс); U_макси U_мин-напряжения смещения, соответствующие токам I_макс и I_мин; I_т-туннельный ток; I_д -диффузионный (тепловой) ток.

Рис. 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 I_д - туннельный и диффузионный токи; е - заряд электрона.

Основные параметры Т. д.: макс. прямой ток I_макс и мин. прямой ток I_мин, соответствующие им напряжения U_макс и U_мин (значения этих параметров для Т. д. на GaAs и Ge приведены на рис. Г); отрицат. дифференц. сопротивление, определяемое наклоном падающего участка ВАХ (ВГ на кривой 2, рис. 1), имеет значения (по абс. величине) для разл. типов Т. д. от единиц до десятков Ом туннельные диоды 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 отрицат. сопротивлением) выражается через параметры эквивалентной схемы (рис. 3) в виде

а резонансная частота паразитных колебаний определяется ф-лой

Для усилит. Т. д. необходимо, чтобы выполнялись условия

, где f_о - рабочая частота. Величинами R_п С_п, r_s, а соответственно и частотными характеристиками диода можно управлять, если изменять степень легирования областей полупроводника по обе стороны от р-n-перехода (сувеличением 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 L_к, электрич. контакт к вплавленной металлич. капле на кристалле полупроводника выполняют с помощью металлич. мембраны, ленточного лепестка или пластины; при этом L_к составляет 10^-10 Гн. Обычно Т. д. оформляются в металлокерамич. корпусе.

Рис. 3. Эквивалентная схема туннельного диода: R_п и С_п-дифференциальное сопротивление и ёмкость р -n-перехода; r_s-омическое сопротивление потерь; L_k и С_к - индуктивность и ёмкость корпуса.

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

Литература по туннельным диодам

Знаете ли Вы, что в 1974 - 1980 годах профессор Стефан Маринов из г. Грац, Австрия, проделал серию экспериментов, в которых показал, что Земля движется по отношению к некоторой космической системе отсчета со скоростью 360±30 км/с, которая явно имеет какой-то абсолютный статус. Естественно, ему не давали нигде выступать и он вынужден был начать выпуск своего научного журнала "Deutsche Physik", где объяснял открытое им явление. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.