Туннельный диод

Обозначение на схемах

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

Тунне́льный дио́д или диод Эсаки (изобретён Лео Эсаки в 1957 году) — полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, на вольт-амперной характеристике которого при приложении напряжения в прямом направлении имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, обусловленный туннельным эффектом.

Устройство

Туннельный диод представляет собой p-n переход, обе области в котором имеют предельно сильное, до вырождения, легирование — концентрации доноров $N_{D}$ в n-области и акцепторов $N_{A}$ в p-области могут превышать 10¹⁹ см⁻³. В качестве полупроводникового материала используются кремний, германий, соединения A^IIIB^V. Прибор имеет два вывода, которые подключаются к общей цепи тем или иным способом.

Принцип функционирования

Зонная диаграмма туннельного диода на базе p-n перехода с сильнолегированными областями в условиях туннелирования электронов (помечено стрелкой)

Обычные диоды при увеличении прямого напряжения монотонно увеличивают пропускаемый ток. В туннельном диоде квантовомеханическое туннелирование электронов обеспечивает особенность вольт-амперной характеристики: резкий подъём, а затем спад пропускаемого тока при увеличении прямого («+» на p-области) напряжения.

Из-за высокой степени легирования p- и n- областей yровни Ферми $E_{Fp}$, $E_{Fn}$ лежат внутри разрешённых зон: $E_{vp}>E_{Fp}$ и $E_{Fn}>E_{cn}$. На участке напряжений от нуля до $(E_{vp}-E_{Fp})/q+(E_{Fn}-E_{cn})/q$ (здесь $q$ — элементарный заряд) зона проводимости n-области энергетически перекрывается с валентной зоной р-области, то есть оказывается, что $E_{vp}>E_{cn}$. При таких напряжениях туннельный эффект позволяет электронам преодолеть энергетический барьер в области перехода с шириной 50—150 Å, причём вклад в ток дают в основном энергии из пересечения диапазонов $E_{cn}\ldots E_{vp}$ и $E_{Fp}\ldots E_{Fn}$ (большинство состояний в диапазоне $E_{Fp}\ldots E_{Fn}$ на одной стороне барьера заполнены электронами, а на другой пусты, что и создаёт условия для переноса). При дальнейшем увеличении прямого напряжения получается $E_{vp}<E_{cn}$ и, поскольку энергия электрона при туннелировании должна сохраняться, оно становится невозможным — происходит срыв тока.

Образующаяся область отрицательного дифференциального сопротивления, где увеличение напряжения сопровождается уменьшением силы тока, используется для усиления слабых сверхвысокочастотных сигналов.

Параллельно с туннелированием электронов происходит их заброс по зоне проводимости из n-области в р-область. Этот процесс, как и в обычном диоде, монотонно усиливается с ростом прямого напряжения и обеспечивает второй подъём силы тока после спада (см. вольт-амперную характеристику).

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. 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) получено не было. 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.

Собственно 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 джампер)

Наибольшее распространение на практике получили туннельные диоды из Ge, GaAs, а также из GaSb. Эти диоды широко применяются 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

• Елкин С. А. Туннельный диод: оценка, отбор и практическое применение (рус.) // Радиоаматор : журнал. — 2006. — № 4. — С. 26—29.
• Лебедев А. И. Физика полупроводниковых приборов. Физматлит, 2008.
• Поляков Александр Михайлович. § 27. Туннельные диоды // Разгаданный полупроводник. — М.: Просвещение, 1981. — С. 137—145. — 160 с. — (Мир знаний).

Ссылки

• Туннельные и обращенные диоды