Предложенный в 1958 г. японским учёным Л. Ёсаки туннельный диод изго-
товляется из германия или арсенида галлия с высокой концентрацией примесей
(1019 — 1020 см-3), т. е. с очень малым удельным сопротивлением, в сотни или
тысячи раз меньшим, чем в обычных диодах. Такие полупроводники с малым
сопротивлением относят к классу вырожденными. Электронно-дырочный переход в вырожденном полупроводнике, как было сказано ранее, получается в десятки раз тоньше (10-6 см), чем в обычных диодах, а потенциальный барьер примерно в два раза выше. В обычных
полупроводниковых диодах высота потенциального барьера равна примерно поло-
вине ширины запрещённой зоны, а в туннельных диодах она несколько больше
этой ширины. Вследствие малой толщины перехода напряженность поля в нём даже
при отсутствии внешнего напряжения достигает 106 В/см.
Рассмотрим процессе, происходящие в туннельном диоде и поясним его вольт-амперную характеристику.
Процессы в туннельном диоде удобно рассматривать на энергетических
диаграммах, показывающих уровни энергии валентной зоны и зоны проводимости-
в n- и р -областях. Вследствие возникновения контактной разности потенциалов в n-р -переходе границы всех зон в одной из областей сдвинуты относительно соответствующих зон другой области на высоту потенциального барьера,
выраженную в электрон-вольтах.
На рис.5.1-5.4 с помощью энергетических диаграмм изображено возникновение туннельных токов в электронно-дырочном переходе туннельного диода. Для
того чтобы не усложнять рассмотрение туннельного эффекта, диффузионный ток
и ток проводимости на этом рисунке не показаны. Диаграмма рис. 5.1 соответствует отсутствию внешнего напряжения. Высота потенциального барьера взята
для примера 0,8 эВ, а ширина запрещенной зоны составляет 0,6 эВ (типичные значения для туннельных диодов).
Горизонтальными линиями в зоне проводимости (ЗП) и в валентной зоне (ВЗ) показаны энергетические уровни, полностью или частично занятые электронами. В валентной зоне
и зоне проводимости изображены также незаштрихованные горизонтальными
линиями участки, которые соответствуют уровням энергии, не занятым электронами.
Как видно, в зоне проводимости полупроводника n -типа и в валентной
зоне полупроводника р -типа имеются занятые электронами уровни, соответствующие одинаковым энергиям. Поэтому может происходить туннельный переход
электронов из области n в область р (прямой туннельный ток iпр) и из области р
в область n (обратный туннельный ток iобр). Эти два тока одинаковы по значению, и результирующий ток равен нулю.
На рис. 5.2 показана диаграмма при прямом напряжении 0,1 В, за счёт
которого высота потенциального барьера понизилась на 0,1 эВ и составляет
0,7 эВ. В этом случае туннельный переход электронов из области n в область р
усиливается, так как в области р имеются в валентной зоне свободные уровни,
соответствующие таким же энергиям, как энергии уровней, занятых электронами
в зоне проводимости области n. А переход электронов из валентной зоны области
р в область n невозможен, так как уровни, занятые электронами в валентной
зоне области р, соответствуют в области n энергетическим уровням запрещённой-
зоны. Обратный туннельный ток отсутствует, и результирующий туннельный
ток достигает максимума. В промежуточных случаях, например когда Uпр=0,05В,
существуют и прямой и обратный туннельный токи, но обратный ток меньше
прямого. Результирующим будет прямой ток, но он меньше максимального,
получающегося при Uпр= 0,1 В.
Случай, показанный на рис. 5.3 соответствует Uпр= 0,2 В, когда высота
потенциального барьера стала 0,6 эВ. При этом напряжении туннельный переход
невозможен, так как уровням, занятым электронами в данной области, соответствуют в другой области энергетические уровни, находящиеся в запрещённой зоне.
Туннельный ток равен нулю. Он отсутствует также и при большем прямом
напряжении. Следует помнить, что при возрастании
прямого напряжения увеличивается прямой
диффузионный ток диода. При рассмотрен-
ных значениях Uпр = 0,2 В диффузионный ток
гораздо меньше туннельного тока, а при
Uпр>0,2 В диффузионный ток возрастает и
достигает значений, характерных для прямо
го тока обычного диода.
На рис. 5.4 рассмотрен случай, когда обратное напряжение Uобр=0,2В.
Высота потенциального барьера стала 1 эВ, и значительно увеличилось число
уровней, занятых электронами в валентной зоне р -области и соответствуют их
свободным уровням в зоне проводимости n -области. Поэтому резко возрастает
обратный туннельный ток, который получается такого же порядка, как и ток
при прямом напряжении.
Вольт-амперная характеристика туннельного диода (рис. 5.5) поясняет рас-
смотренные диаграммы. Как видно, при U=0 ток равен нулю. Увеличение
прямого напряжения до 0,1 В дает возрастание прямого туннельного тока до
максимума (точка А). Дальнейшее увеличение прямого напряжения до 0,2 В
сопровождается уменьшением туннельного тока. Поэтому в точке Б получается
минимум тока и характеристика имеет падающий участокАБ, для которого
характерно отрицательное дифференциальное сопротивление:
(3.1)
После этого участка ток снова возрастает за счет прямого диффузионного
тока. Обратный
ток получается такой же, как прямой, т. е. вo много раз больше, нежели
у обычных диодов.
Туннельные диоды могут применятся в технике СВЧ, а также во многих импульсных радиоэлектронных устройствах, рассчитанных на высокое быстродействие. Помимо весьма малой инерционности достоинством туннельных диодов является их стойкость к ионизирующему излучению. Малое потребление энерги от источника питания также во многих случаях следует считать достоинством туннельных диодов. К сожелению, эксплутация этих диодов выявила существенный их недостаток. Он заключается в том, что эти иоды подвержены значительному старению, то есть с течением времени их характеристики и параметры заметно изменяются, что может привести к нарушению нормальной работы того или иного устройства.
Все туннельные диоды имеют весьма малые размеры. Например, они могут быть оформлены в целиндрических герметичных малостеклянных корпусах диаметром 3 – 4 мм и высотой около 2 мм. Выводы у них гибкие ленточные. Масса не превышает 0,15 г.
