Тунельні діоди

Тунельними діодами називаються напівпровідникові діоди, p-n перехід яких утворюється з двох вироджених напівпровідників. Виродженими називають напівпровідники з високою концентрацією носіїв заряду порядка 10¹⁹ См^-3 і більше

В 1958 році було встановлено, що такі напівпровідники мають аномальну ВАХ (рис. 2.11). На відміну від інших діодів вони добре проводять струм не тільки в прямому, але й в зворотньому напрямках, а на прямій гілці ВАХ має місце ділянка струму. Аномальний хід характеристики сильно легованих p-n структур зумовлений, як було встановлено, тунельним ефектом. Як відомо, частинка, що має енергію, недостатню для проходження через потенціальний бар’єр, може все ж таки пройти крізь нього, якщо з другої сторони цього бар’єру є такий же вільний енергетичний рівень, який займала частинка перед бар’єром. Це явище називається тунельним ефектом. В квантовій механіці показується, що ймовірність тунельного переходу тим вища, чим вужчий потенціальний бар’єр і чим менша його висота. Тунельний перехід здійснюється електронами без витрат енергії.

Рисунок 2.11 – Вольт-амперна характеристика тунельного діода

В звичайних діодах, які мають концентрацію домішок в менш легованій області 10¹⁷ 1/см³, товщина p-n переходу порівняно велика і ймовірність тунельного переходу мала.

В тунельних діодах завдяки високій концентрації товщина p-n переходу становить 0,01 мкм, тобто бар’єр є дуже вузьким. В цих умовах ймовірність тунельного переходу електронів через бар’єр виявляється значною, що і призводить до зміни вигляду його характеристики.

Розглянемо енергетичну діаграму сильно легованої p-n структури при різних значеннях прикладеної до неї напруги. Внаслідок високої концентрації домішок локальні рівні в такій структурі перетворюються в суцільну зону, а рівень Фермі зміщується в зону провідності в n–області і в валентну зону p- області. Напівпровідники такого типу називаються виродженими. Енергетична діаграма тунельного діоду при нульовому зміщенні приведено на рис. 2.12. Штриховкою показані енергетичні рівні, які заповнені електронами. В цьому випадку електрони можуть здійснювати тунельні переходи в обох напрямках; в стані рівноваги сумарний струм дорівнює нулю.

Рисунок 2.12 – Енергетична діаграма тунельного діода

Якщо на тунельний діод подано зворотню напругу, то енергетичні зони зміщуються таким чином, що напроти заповнених рівнів валентної зони p -області розміщуються вільні рівні зони провідності n -області (рис. 2.13). При цьому домінуючим буде потік електронів, які здійснюють тунельний перехід із валентної зони p -області в зону провідності n-області, що приведе до зростання зворотнього струму діода. Нагадаємо, що в звичайних діодах зворотній струм невеликий, оскільки він створюється за рахунок екстракції неосновних носіїв, які мають малу концентрацію.

Якщо на тунельний діод подано пряме зміщення, то заповнені рівні зони провідності n -області розміщуються напроти пустих рівнів валентної зони p - області і починає домінувати тунельний перехід електронів із зони провідності n -області в валентну зону p -області (рис. 2.14).

Рисунок 2.13 – Енергетична діаграма тунельного діода при подачі зворотної напруги

Рисунок 2.14 – Енергетична діаграма тунельного діода при прямому зміщенні

Тунельний струм, який створюється за рахунок цих переходів, має значно більшу величину ніж звичайний дифузійний струм, який показаний на характеристиці пунктиром (рис. 2.15). Він досягає максимального значення коли рівень Фермі p-області співпадає з верхнім рівнем валентної зони p- області, що відповідає напрузі на діоді порядка 40…50 мВ для германієвих діодів і 100…150 мВ для діодів із арсенід галію. При подальшому збільшенні прямого зміщення перекриття заповнених і пустих рівнів зменшується і тунельний струм падає. Коли зона провідності n- області повністю встане навпроти забороненої зони p- області, тунельний струм повинен впасти до нуля і в діоді повинна залишитись лише дифузійна складова струму. Однак в цьому режимі через діод тече надлишковий струм, який визначається локальними рівнями в забороненій зоні.

Рисунок 2.15 – Вольт-амперна характеристика тунельного діода

Параметрами тунельного діода є:

– величина струму в точці максимума (від міліампера до сотні міліампер);

– напруга роствору U_pp – пряма напруга, більша напруги впадини, при якій струм розриву рівний піковому;

– питома ємність С₀/I_n;

– гранична резистивна частота f_Г – це розрахункова частота, на якій активна складова опору послідовної схеми, яка складається з опору p-n переходу і опору втрат дорівнює 0;

– резонансна частота f₀, Х=0, X_L=X_C;

– ємність p-n переходу X_C;

– індуктивність корпуса і виводів L.

Мінімальний струм і відношення I_max/I_min, яке, як правило, не перевищує 4. Від’ємна диференціальна провідність діода може досягати сотень мА/В. Наявність від’ємної провідності вказує на можливість використання цього пристрою для генерування і на можливість використання цього пристрою для генерування і підсилення коливань, перетворення сигналів і перемикання.

В зв’язку з тим, що перенесення заряду в тунельному діоді здійснюється основними носіями, проходження яких не зв’язано з накопиченням неврівноваженого заряду, прилад має надзвичайно малу інерційність. Гранична частота тунельного діода обмежується лише ємністю перереходу, розподіленим опором бази та індуктивності виводів і може досягати сотень Гц. Відмінною якістю є також малий рівень шумів, мале споживання потужності, стійкість до ядерного і теплового опромінення, мала вага і габарити.