Туннельный диод. ВАХ, возникновение участка отрицательного сопротивления. Частотные свойства туннельного диода.

Если в p- и n-областях p-n-перехода увеличивать концентрацию мелких примесей, то при концентрациях электронов и дырок см^-3возникают новые явления. А именно, начальная часть прямой ветви вольтамперной характеристики становится немонотонной и на ней возникает падающий участок (ток уменьшается при увеличении напряжения). В этой области напряжений дифференциальная проводимость перехода отрицательна. Причина такой зависимости тока от напряжения заключается в том, что при увеличении концентрации носителей толщина потенциального барьера в p-n-переходе уменьшается и при указанных концентрациях становится сравнимой с длиной волны де Бройля ( см при комнатной температуре). Вместе с тем возрастает напряженность электрического поля в переходе. В результате становится заметной вероятность туннельных переходов электронов и дырок из одной зоны в другую. Соответственно диоды с p-n-переходами рассматриваемого типа называются туннельными.

Хотя аномальный характер ВАХ при протекании тока в прямом направлении вырожденного p-n-перехода наблюдался многими исследователями, только Есаки в 1958 г. Удалось объяснить это явление с помощью понятия о квантовом туннельном эффекте. С тех пор «диод Есаки», или туннельный диод, широко используется как быстродействующий (безынерционный) прибор с низким уровнем шумов на выходе, работающий при малой мощности.

Условное графическое обозначение диода показано на рис. 1. Прибор работает при прямом смещении перехода, полярность этого напряжения также указана на рисунке. Для изготовления этих диодов применяются полупроводники с высокой концентрацией примесей в p- и n-областях. Вследствие сильной степени легирования переход имеет малую толщину, примерно на два порядка меньшую, чем в обычных диодах. Кроме того, в вырожденных полупроводниках изменяется структура энергетической диаграммы. В результате квантовомеханического воздействия атомов примеси примесные уровни расщепляются в примесную зону, которая сливается с валентной зоной p-области и с зоной проводимости n-области.

ВАХ диода показана на рис. 2. Эта зависимость имеет две особенности. В диапазоне прямых напряжений U_П<U<U_В («падающий» участок – 2) диод имеет отрицательное динамическое сопротивление, когда с увеличением напряжения ток уменьшается. Кроме того, этот диод не обладает свойствами односторонней проводимости. При изменении полярности напряжения (участок 4) обратный ток имеет такую же величину, как и прямой (участок 1).

Для сравнения на рис. Показана ВАХ диода, соответствующего обычному p-n-переходу. Превышение прямого тока для туннельного диода на участках 1,2 над диффузионным током свидетельствует о наличии дополнительного механизма токопереноса – туннельного тока.

Обоснование ВАХ туннельного диода может быть проведено на основании энергетической диаграммы перехода (рис. 3). В исходном состоянии, при нулевом смещении перехода (рис. 3а) происходит перекрытие валентной зоны p-области и зоны проводимости n-области как следствие сильного легирования этой структуры. Заштрихованным областям соответствуют уровни энергий, которые заняты электронами с наибольшей вероятностью. В незаштрихованной области «потолка» валентной зоны p-области ( ) велика концентрация дырок, поэтому много вакантных энергетических уровней для электронов. Туннельный ток создается электронами, которые просачиваются сквозь потенциальный барьер без изменения их энергии. При отсутствии внешнего напряжения небольшие туннельные потоки электронов направлены навстречу друг другу и равно по величине, поэтому суммарный ток через переход равен нулю. При прямом напряжении уменьшается высота потенциального барьера ( ), поднимается «дно» зоны проводимости n-области ( ) относительно p-области. В случае U=U_П наблюдается максимальное перекрытие соответствующих энергетических областей (рис. 3б), что соответствует экстремальному значению туннельного тока I_П. Этот ток создается туннелированием электронов (ОНЗ) из n-области в p-область. При дальнейшем увеличении прямого напряжения уменьшается перекрытие зон, туннельный ток будет уменьшаться, что приведет к появлению участка 2 на ВАХ. Если U>U_В, то туннельный ток отсутствует, на участке 3 ВАХ протекает прямой диффузионный ток перехода.

Обратное смещение (рис. 3в) изменяет направление туннельного тока. Электроны из валентной зоны p-области туннелируют на свободные энергетические уровни зоны проводимости n-области.

Туннельный диод – это прибор СВЧ диапазона, используемый в частотном интервале от единиц до нескольких десятков гигагерц. Эквивалентная схема диода для малых сигналов на участке отрицательного динамического сопротивления приведена на рис. 4. Она состоит из отрицательного динамического сопротивления R_Д, барьерной емкости С_Б, общего сопротивления потерь r и индуктивности выводов L. Полное сопротивление диода

где дифференциальная проводимость g=1/R_Д.

Выделяя активную и реактивную компоненты, получим

Приравнивая к нулю действительную часть полного сопротивления, определяем предельную частоту:

(1)

Диод проявляет себя как элемент с отрицательным динамическим сопротивлением пока . В этом случае компенсируются потери и возможен процесс усиления или генерирования колебаний.

Резонансную частоту диода получаем, приравнивая к нулю мнимую часть полного сопротивления т.е.

(2).

В режиме усиления не должно происходить самовозбуждения, т.е. резонансная частота должна находиться за предельной частотой . Из этого неравенства находим условие усиления:

(3а).

Для возникновения самовозбуждения, т.е. генерирования колебаний, справедливо обратное условие:

(3б)

В усилительных диодах при уменьшении индуктивности выводы выполняются в виде пластин, мембран и т.д..

Туннельные диоды изготавливают на основе германия и арсенида галлия. Разность напряжений UВ-UП больше у материалов с более широкой запрещенной зоной. Поэтому арсенид-галлиевые диоды обеспечивают получение большей мощности. Большее соотношение IП/IВ этих диодов также способствует увеличению мощности.