Особенности работы, вольт – амперная характеристика туннельного диода.

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 i_пр) и из области р
в область n (обратный туннельный ток i_обр). 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 U_пр=0,05В,
существуют и прямой и обратный туннельный токи, но обратный ток меньше
прямого. Результирующим будет прямой ток, но он меньше максимального,
получающе­гося при U_пр= 0,1 В.

Случай, показанный на рис. 5.3 соответствует U_пр= 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 U_пр = 0,2 В диффузионный ток
го­раздо меньше туннельного тока, а при
U_пр>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 U_обр=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.