Туннельным диодом называют полупроводниковый диод на основе p + -n + перехода с сильнолегированными областями, на прямом участке вольт-амперной характеристики которого наблюдается n-образная зависимость тока от напряжения. На рисунке 4.14 приведена вольт-амперная характеристика типичного туннельного диода при прямом смещении.

Проанализируем особенности вольт-амперной характеристики туннельного диода. Для этого рассмотрим p + -n + переход, образованный двумя вырожденными полупроводниками.

Если концентрация доноров и акцепторов в эмиттере и базе диода будет N A , N D ~ 10 20 см -3 , то концентрация основных носителей будет много больше эффективной плотности состояний в разрешенных зонах p p0 , n n0 >> N C , N V . В этом случае уровень Ферми будет находиться в разрешенных зонах p + и n + полупроводников.

Рис. 4.14. Туннельный диод 1И104 :
а) вольт-амперная характеристика при прямом смещении; б) конструкция туннельного диода

В полупроводнике n + типа все состояния в зоне проводимости вплоть до уровня Ферми заняты электронами, а в полупроводнике p + -типа - дырками. Зонная диаграмма p + -n + перехода, образованного двумя вырожденными полупроводниками, приведена на рисунке 4.15.

Рис. 4.15. Зонная диаграмма p + -n + перехода в равновесии

С позиции анализа токов для диффузионного тока (прямого) имеет место большая высота потенциального барьера. Чтобы получить типичные значения прямого тока, нужно приложить большое прямое напряжение (больше или примерно равное половине ширины запрещенной зоны E g /2). В выражении для дрейфового тока (обратного) концентрация неосновных носителей p n0 = n i 2 /N D мала и поэтому обратный ток тоже будет мал.

Рассчитаем, чему равна геометрическая ширина вырожденного p-n перехода. Будем считать, что при этом сохраняется несимметричность p-n перехода (p + - более сильнолегированная область). Тогда ширина p + -n + перехода мала:

Дебройлевскую длину волны электрона оценим из простых соотношений:

Таким образом, геометрическая ширина p + -n + перехода оказывается сравнима с дебройлевской длиной волны электрона. В этом случае в вырожденном p + -n + переходе можно ожидать проявления квантово-механических эффектов, одним из которых является туннелирование через потенциальный барьер. При узком барьере вероятность туннельного просачивания через барьер отлична от нуля.

Рассмотрим более подробно туннельные переходы в вырожденных p + -n + переходах при различных напряжениях. На рисунке 4.16 показана зонная диаграмма туннельного диода при обратном смещении.

Рис. 4.16. Зонная диаграмма туннельного диода при обратном смещении

При обратном напряжении ток в диоде обусловлен туннельным переходом электронов из валентной зоны на свободные места в зоне проводимости. Поскольку концентрация электронов и число мест велики, то туннельный ток резко возрастает с ростом обратного напряжения. Такое поведение вольт-амперных характеристик резко отличает туннельный диод от обычного выпрямительного диода.

При прямом напряжении ток в диоде обусловлен туннельным переходом электронов из зоны проводимости на свободные места в валентной зоне. Поскольку туннельные переходы происходят без рассеяния, то есть с сохранением энергии туннелирующей частицы, то на зонной диаграмме эти процессы будут отражены прямыми горизонтальными линиями. На рисунке 4.17 показаны зонные диаграммы туннельного диода при прямом смещении, соответствующие трем точкам на прямом участке вольт-амперной характеристики.

Рис. 4.17. Зонные диаграммы туннельного диода при прямом смещении:
а) участок 1; б) участок 2; в) участок 3

На участке 1 при небольшом прямом напряжении напротив электронов зоны проводимости начинают появляться свободные места в валентной зоне при той же самой энергии. По мере роста напряжения число свободных мест возрастает и ток растет с ростом напряжения. Туннельный ток достигает максимума, когда все свободные места в валентной зоне оказываются по энергии напротив энергетических уровней, занятых электронами в зоне проводимости (участок 2). Затем, по мере роста прямого напряжения, число этих свободных мест начинает уменьшаться, поскольку по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости оказываются состояния в запрещенной зоне (энергетические уровни в идеальных полупроводниках в запрещенной зоне отсутствуют). На участке 3 туннельный ток уменьшается с ростом напряжения и превращается в ноль, когда запрещенная зона p + полупроводника будет находиться по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости.

При дальнейшем росте прямого напряжения появляется компонента обычного диффузионного тока p-n перехода.

Участок 3 на рисунке 4.17 - это участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Рассмотрим более подробно вольт-амперную характеристику туннельного диода.

Решение уравнения (4.18) для случая прямого смещения имеет следующий вид:

(4.24)

где ε 1 и ε 2 - расстояние от энергии Ферми до дна зоны проводимости или вершины валентной зоны.

Рис. 4.18. Температурные зависимости прямого тока от напряжения в туннельных диодах :
а) германиевый диод 1И403; б) арсенидгаллиевый диод 3И202

Расчет вольт-амперных характеристик туннельного диода по уравнению (4.24) дает хорошее согласие с экспериментом. На рисунке 4.18 приведены температурные зависимости прямого тока от напряжения в туннельных диодах, изготовленных из германия и арсенида галлия. Видно, что у диода с более широкозонным материалом GaAs, чем Ge, минимум тока наблюдается при больших значениях прямого напряжения.

Отметим, что туннельный диод имеет высокие значения максимальной граничной частоты f max ~ 10 9 Гц, поскольку времена процессов при туннелировании составляют наносекунды, то есть τ min ~ 10 -9 c. По этой причине туннельные диоды используются в СВЧ-технике.

Рассмотрим вольт-амперные характеристики p-n перехода в особом случае, когда энергия Ферми в электронном и дырочном полупроводниках совпадает или находится на расстоянии + kT/q от дна зоны проводимости или вершины валентной зоны. В этом случае вольт амперные характеристики такого диода при обратном смещении будут точно такие же, как и у туннельного диода, то есть при росте обратного напряжения будет быстрый рост обратного тока. Что касается тока при прямом смещении, то туннельная компонента ВАХ будет полностью отсутствовать в связи с тем, что нет полностью заполненных состояний в зоне проводимости. Поэтому при прямом смещении в таких диодах до напряжений, больше или равных половине ширины запрещенной зоны, ток будет отсутствовать. С точки зрения выпрямительного диода вольт-амперная характеристика такого диода будет инверсной, то есть будет высокая проводимость при обратном смещении и малая при прямом. В связи с этим такого вида туннельные диоды получили название обращенных диодов. На рисунке 4.19 приведена вольт-амперная характеристика обращенного диода.

Рис. 4.19. Вольт-амперная характеристика германиевого обращенного диода ГИ403 :
а) полная ВАХ; б) обратный участок ВАХ при разных температурах

Таким образом, обращенный диод - это туннельный диод без участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Высокая нелинейность вольт-амперной характеристики при малых напряжениях вблизи нуля (порядка микровольт) позволяет использовать этот диод для детектирования слабых сигналов в СВЧ-диапазоне.

Туннельный переход электронов через \(p\)-\(n\)-переход возможен, если толщина перехода мала и энергетическим уровням, заполненным электронами в одной области, соответствуют такие же свободные разрешенные энергетические уровни в соседней области. Эти условия выполняются в переходах, образованных полупроводниками с высокой концентрацией примесей (вырожденные полупроводники). При этих условиях ширина \(p\)-\(n\)-перехода очень мала, что обусловливает высокую напряженность электрического поля в переходе и вероятность туннельного прохождения электронов через его потенциальный барьер.

Туннельный диод - это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперной характеристике при прямом напряжении участка отрицательной дифференциальной проводимости. Вольт-амперная характеристика туннельного диода приведена на рис. 2.7‑1.

Рис. 2.7-1. Вольт-амперная характеристика туннельного диода

Туннельный ток может проходить через переход в обоих направлениях. Однако в области прямого смещения туннельный ток сначала резко растет, а достигнув некоторого максимального значения, затем резко убывает. Снижение тока связано с тем, что с увеличением напряженности электрического поля в переходе в прямом направлении уменьшается число электронов, способных совершить туннельный переход. При некотором значении прямого напряжения число таких электронов становится равным нулю и туннельный ток исчезает совсем. Дальнейшее увеличение прямого напряжения оказывает влияние только на прямой диффузионный ток, который увеличивается с ростом напряжения также, как и у обычных выпрямительных или универсальных диодов. В области обратного смещения у туннельных диодов наблюдается только резкий рост туннельного тока при увеличении обратного напряжения.

Ввиду очень малой толщины \(p\)-\(n\)-перехода туннельного диода время перехода электронов через него очень мало, поэтому туннельный диод в области малых напряжений - практически безынерционный прибор. Его частотные характеристики определяются в основном барьерной емкостью перехода и различными утечками.

Наличие на вольт-амперной характеристике туннельного диода участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением (отношение приращения напряжения к приращению тока) позволяет использовать диод в усилителях и генераторах электрических колебаний, а также в разнообразных импульсных устройствах, что тем более оправдано, учитывая высокое быстродействие туннельных диодов. Качественные показатели таких устройств определяются длиной и линейностью участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на ВАХ диода. В зависимости от того, для применения в каких из перечисленных выше устройств они предназначены, туннельные диоды делятся на усилительные , генераторные и переключательные .

Каждый из типов туннельных диодов имеет свои особенности. Например, для генераторных диодов очень важна линейность участка отрицательного дифференциального сопротивления, поскольку это обеспечивает отсутствие гармоник в генерируемом сигнале, а для переключательных диодов наиболее важной является крутизна этого участка.

Поскольку для изготовления туннельных диодов используются вырожденные полупроводники, по характеру проводимости приближающиеся к металлам, рабочая температура этих диодов приближается к 400 °C. Однако из-за низких рабочих напряжений и малых площадей переходов туннельные диоды имеют очень маленькую мощность.