Туннельный диод

Используемый в туннельных диодах материал сильно легирован, так, что уровень Ферми в n-области находится в зоне проводимости, а уровень Ферми в p-области находится в валентной зоне.

Такое легирование приводит к значительному уменьшению ширины p-n-перехода, а следователь и к очень важному изменению ВАХ диода.

Обедненный слой (p-n-переход) становится настолько тонким, что туннелирование происходит даже при очень небольших смещениях. Если к диоду приложить обратное смещение, т. е. электроны из p-области окажутся напротив вакантных состояних n-области и через переход потечет туннельный ток, диод действует как обычный проводик. Туннельный ток электронов в этом случае (рис. 3) будет велик (ток слева направо), а обратный ток – пренебрежимо мал. Этому случаю на вольт-амперной характеристике (рис. 7) соответствует область (а).

Рис. 3. Вырожденный p-n-переход при различных внешних напряжениях. Приложено обратное напряжение.

Если к туннельному диоду приложить небольшое прямое напряжение, то он ведет себя как проводник вплоть до некоторого критического напряжения, при этом энергия на зоне проводимости n-области сравняется с потолком валентной зоны p-области, и туннелирование прекращается, т. к. для электронов зоны проводимости не оказывается разрешенных энергетических состояний по другую сторону перехода. Итак, в этом случае туннельный ток определяется в основном электронами, переходящими с заполненных уровней c-зоны на пустые уровни в v-зоне. Этот ток (ветвь б на рис. 7) при равных напряжениях меньше тока (а) при обратном смещении (рис. 4).

Рис. 4. Приложено малое прямое напряжение.

Рассмотрим теперь рис. 5, характеризующий энергетическую диаграмму в случае , . При этом нижний край v-зоны находится на уровне верхнего края c-зоны и для электронов с нет соответствующих свободных состояний в v-зоне. Таким образом, при туннельный ток должен быть равен нулю. На практике вблизи так не падает до нуля, а лишь становится малым. причина этого заключается в большой концентрации примесных энергетических уровней в запрещенной зоне вырожденного полупроводника.

Рис. 5. Энергетическая диаграмма в случае .

Выше говорилось, что при сравнительно больших прямых смещениях туннельные токи практически не идут. Однако теперь возникает возможность обычного теплового перехода части электронов через потенциальный барьер и идет инжекция их в р-область. Аналогично идет инжекция дырок в n-область (см. стрелки на рис. 6). Ток при таком механизме должен экспоненциально расти с напряжением. Этот участок на рис. 7 обозначен буквой (г).

Рис. 6 Прямой ток при .

Таким образом, при напряжении порядка должен наблюдаться минимум тока в туннельном диоде. Вольт-амперная характеристика, рассмотренная нами, показана на рис. 7. Участок (в) имеет отрицательный наклон, соответствующий уменьшению тока с ростом напряжения. Это одна из важнейших особенностей вольт-амперной характеристики туннельных диодов.

Если вольт-амперная характеристика какого-либо устройства имеет участок с отрицательным наклоном, то говорят, что на этом участке устройство имеет отрицательное дифференциальное сопротивление:

(9)

Отрицательное сопротивление можно определить по графику:

(10)

Рис. 8. Измерительная схема.

Суть эксперимента заключается в снятии вольт-амперной характеристики данного образца туннельного диода (АИ 201 К) и нахождении величины отрицательного сопротивления:

(11)