Туннельный диод

Обозначение на схемах

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) туннельного диода. В диапазоне напряжений U₁ − U₂ дифференциальное сопротивление отрицательно

Тунне́льный дио́д — полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, на вольт-амперной характеристике которого при приложении напряжения в прямом направлении появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, обусловленный туннельным эффектом.

Устройство

Обычные диоды при увеличении прямого напряжения монотонно увеличивают пропускаемый ток. В туннельном диоде квантово-механическое туннелирование электронов добавляет прогиб в ВАХ, при этом из-за высокой степени легирования p- и n-областей напряжение пробоя уменьшается практически до нуля. Туннельный эффект позволяет электронам преодолеть энергетический барьер в зоне перехода с шириной 50—150 Å при таких напряжениях, когда зона проводимости в n-области имеет равные энергетические уровни с валентной зоной р-области. При дальнейшем увеличении прямого напряжения уровень Ферми n-области поднимается относительно р-области, попадая на запрещённую зону р-области, а поскольку туннелирование не может изменить полную энергию электрона, вероятность перехода электрона из n-области в p-область резко падает. Это создаёт на прямом участке ВАХ участок, где увеличение прямого напряжения сопровождается уменьшением силы тока. Данная область отрицательного дифференциального сопротивления и используется для усиления слабых сверхвысокочастотных сигналов.

История изобретения

«Генерирующий детектор»

Впервые «генерирующий детектор» — диод, образованный контактом металла с полупроводником и имеющий отрицательное дифференциальное сопротивление — был продемонстрирован Уильямом Экклзом в 1910 году, но в то время не вызвал интереса.

В начале 1920-х годов советский радиолюбитель, физик и изобретатель Олег Лосев независимо от Экклза обнаружил эффект отрицательного дифференциального сопротивления в диодах из кристаллического оксида цинка, выращенного гидротермально из водного раствора гидроксида цинка и цинката калия. Этот эффект получил название «кристадинный» и использовался для генерации и усиления электрических колебаний в радиоприёмниках и передатчиках, но вскоре был вытеснен из практической радиотехники электровакуумными приборами. Механизм возникновения кристадинного эффекта неясен. Многие специалисты предполагают, что он вызван туннельным эффектом в полупроводнике, но прямых экспериментальных подтверждений этого (по состоянию на 2004 год) не получено. Существуют и другие физические явления, способные послужить причиной кристадинного эффекта. При этом кристадин и туннельный диод — это разные устройства, и отрицательное дифференциальное сопротивление у них проявляется на разных участках вольт-амперной характеристики.

Туннельный диод

Впервые туннельный диод был изготовлен на основе германия в 1957 году Лео Эсаки, который в 1973 году получил Нобелевскую премию по физике за экспериментальное обнаружение эффекта туннелирования электронов в этих диодах.

Применение

Туннельный диод 1N3716 (рядом для масштаба сфотографирован джампер)

Наибольшее распространение на практике получили туннельные диоды из Ge, GaAs, а также из GaSb. Эти диоды находят широкое применение в качестве предварительных усилителей, генераторов и высокочастотных переключателей. Они работают на частотах, во много раз превышающих частоты работы тетродов — до 30…100 ГГц.

См. также

• Обращённый диод
• Туннельный эффект

Литература

• Лебедев А. И. Физика полупроводниковых приборов. Физматлит, 2008.

Ссылки

• Туннельный диод: оценка, отбор и практическое применение
• Туннельный диод, БСЭ, Л. Эсаки. (5 июня 2009). Дата обращения 6 июля 2010.
• Туннельный эффект, БСЭ, Д. А. Киржниц. (5 июня 2009). Дата обращения 5 июня 2009.
• Туннельные и обращенные диоды