ТУННЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ

В отличие от всех остальных полупроводниковых диодов для изготовления туннельных диодов используют вырожденные полупроводники с высокой концентрацией примесей N=10¹⁸÷10²⁰ см⁻³. Вследствие чего толщина p-n-перехода оказывается малой порядка 10⁻²мкм. Сквозь такие тонкие потенциальные барьеры возможно туннелирование носителей заряда.

ВАХ туннельного диода приведена на рис.13. На рисунке отмечены точки, для которых построены зонные диаграммы. Для упрощения рисунков на зонных диаграммах не изображены источники питания.

В диоде без внешнего смещения (точка а) происходит туннелирование электронов из n-области в p-область и обратно. Встречные потоки электронов равны, поэтому суммарный ток через диод равен нулю.

При небольшом прямом напряжении на туннельном диоде (точка б) энергия электронов в n-области увеличивается, и уровни энергии смещаются вверх. При этом происходит преимущественное туннелирование электронов из n-области в p- область, кроме того, возникает небольшой диффузионный ток электронов через понизившийся потенциальный барьер.

При прямом напряжении на диоде U_пика (точка в), когда занятые электронами уровни энергии в n-области окажутся на одной высоте со свободными энергетическими уровнями в p-область туннельный ток I_пика станет максимальным.

При дальнейшем увеличении прямого напряжения (точка г) туннельный ток будет уменьшаться, ток как из-за смещения уровней энергии уменьшится количество электронов способных туннелировать из n-области в p- область.

Туннельный ток через диод окажется равным нулю при напряжении U_{впадины} (точка д), когда для свободных электронов в n-области в p- области не окажется свободных энергетических уровней. Однако при этом через диод будет проходить прямой ток I_{впадины}, связанный с диффузией электронов через понизившийся потенциальный барьер.

Далее при увеличении прямого напряжения (точка е) прямой ток будет нарастать, как в обычных выпрямительных диодах.

При обратном напряжении на туннельном диоде (точка ж) снова возникают условия для туннелирования электронов из p-области в n-область. Возникающий при этом обратный ток будет расти по абсолютному значению с ростом по абсолютному значению обратного напряжения. Можно считать, что у туннельного диода происходит туннельный пробой при малых (по абсолютной величине) обратных напряжениях.

Таким образом, в интервале напряжений от U_пика до U_{впадины}, туннельный диод обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. Как и всякий прибор с отрицательным дифференциальным сопротивлением туннельный диод может быть использован для генерации и усиления электромагнитных сигналов.

Основные параметры туннельных диодов:

1. Пиковый ток I_пика – ток в точке максимума ВАХ, при котором производная . Этот ток может составлять от десятых долей миллиампера до сотен миллиампер.

2. Ток впадины I_{впадины} – ток в точке минимума ВАХ при котором .

3. Отношение токов туннельного диода I_пика/ I_{впадины}. Для туннельных диодов из арсенида галлия I_пика/ I_{впадины} ≥10. для германиевых диодов I_пика/ I_{впадины} =3÷6.

4. Напряжение пика U_пика – прямое напряжение соответствующее пиковому току. Для туннельных диодов из арсенида галлия U_пика =100÷150мВ, для германиевых диодов U_пика =40÷60мВ.

5. Напряжение впадины U_{впадины} – прямое напряжение соответствующее току впадины. Для туннельных диодов из арсенида галлия U_{впадины} =400÷500мВ. для германиевых диодов U_{впадины} =250÷350мВ.

6. Напряжение раствора U_рр – прямое напряжение большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому току.

7. Удельная емкость туннельного диода С_д/I_пика – отношение емкости туннельного диода, измеренной при I_пика к пиковому току.

9. ОБРАЩЕННЫЕ ДИОДЫ

При концентрациях примесей в p- и n-областях диода меньших, чем в туннельных диодах, но больших, чем в обычных выпрямительных диодах, можно получить диод, зонная диаграмма которого приведена на рис.14, а. Уровень Ферми при такой средней концентрации примесей может совпадать с верхом валентной зоны в p- области и с дном зоны проводимости в n-области. При этом в состоянии термодинамического равновесия верх валентной зоны в p- области и дно зоны проводимости в n-области находятся на одном уровне.

ВАХ обращенного диода приведена на рис.14, б. Обратная ветвь обращенного диода аналогична обратной ветви туннельного диода. Прямая ветвь ВАХ аналогична прямой ветви ВАХ туннельного диода, но пик тока не ней практически отсутствует. Таким образом, обращенные диоды обладают выпрямляющим эффектом, но пропускное (проводящее) направление у них соответствует обратному включению, а запирающее (непроводящее) – прямому включению.

Обращенные диоды могут работать только на очень малых сигналах. Они обладают хорошими частотными свойствами, т.к. туннелирование – процесс малоинерционный, а эффекта накопления заряда при малых напряжениях практически нет. Поэтому обращенные диоды можно использовать на СВЧ.