Туннельный диод
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
[править | править код]Туннельный диод представляет собой p-n-переход, обе области в котором имеют предельно сильное, до вырождения, легирование — концентрации доноров в n-области и акцепторов в p-области могут превышать 1019 см−3. В качестве полупроводникового материала используются кремний, германий, соединения AIIIBV. Прибор имеет два вывода, которые подключаются к общей цепи тем или иным способом.
Принцип функционирования
[править | править код]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 лежат внутри разрешённых зон: и На участке напряжений от нуля до (здесь — элементарный заряд) зона проводимости n-области энергетически перекрывается с валентной зоной р-области[1], то есть оказывается, что 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 и (большинство состояний в диапазоне на одной стороне барьера заполнены электронами, а на другой пусты, что и создаёт условия для переноса электронов). При дальнейшем увеличении прямого напряжения получается и, поскольку энергия электрона при туннелировании должна сохраняться[2], оно становится невозможным — происходит уменьшение 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 второе поповышение силы тока после спада (см. рисунок).
История изобретения
[править | править код]«Генерирующий детектор»
[править | править код]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[3].
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[3]. При этом кристадин и туннельный диод — это разные устройства, и отрицательное дифференциальное сопротивление у них проявляется на разных участках вольт-амперной характеристики[источник не указан 1895 дней].
Собственно туннельный диод
[править | править код]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
[править | править код]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
[править | править код]Примечания
[править | править код]- ↑ Туннельный диод / Эсаки Л. // Тихоходки — Ульяново. — М. : Советская энциклопедия, 1977. — С. 316. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 26).
- ↑ Туннельный эффект / Киржниц Д. А. // Тихоходки — Ульяново. — М. : Советская энциклопедия, 1977. — С. 316—317. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 26).
- ↑ 1 2 Новиков М. А. Олег Владимирович Лосев — пионер полупроводниковой электроники (К столетию со дня рождения) // Физика твёрдого тела. — 2004. — Т. 46, вып. 1. — С. 5—9. Архивировано 19 февраля 2012 года.
Литература
[править | править код]- Елкин С. А. Туннельный диод: оценка, отбор и практическое применение // 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).