8.2. Тунельний діод

Запропонований в 1958 р. японським вченим Л. Йосакі тунельний діод виготовляється з германію або арсеніду галію з високою концентрацією домішок (10¹⁹ ÷10²⁰ ) см^-3, тобто з дуже малим питомим опором, в сотні або тисячі разів меншим, ніж в звичайних діодах. Такі напівпровідники з малим опором називають виродженими. Електронно-дірковий перехід у виродженому напівпровіднику виходить в десятки разів тонше (10^-6 ) см, ніж в звичайних діодах, а потенціальний бар'єр приблизно в два рази вищий. У звичайних напівпровідникових діодах висота потенціального бар'єру рівна приблизно половині ширини забороненої зони, а в тунельних діодах вона трохи більше цієї ширини. Внаслідок малої товщини переходу напруженість поля в ньому навіть при відсутності зовнішньої напруги досягає 10⁶ В/см.

У тунельному діоді, як і в звичайному, відбувається дифузійне переміщення носіїв через електронно-дірковий перехід і зворотний їх дрейф під дією електричного поля. Але крім цих процесів основну роль грає тунельний ефект. Він полягає в тому, що згідно із законами квантової фізики при досить малій висоті потенційного бар'єра можливе проникнення електронів через бар'єр без зміни їх енергії. Такий тунельний перехід електронів з енергією, меншою за висоту потенціального бар'єра (в електрон-вольтах), здійснюється в обох напрямках, але тільки при умові, що з іншої сторони бар'єра для тунелюючих електронів є вільні рівні енергії. Подібний ефект неможливий з точки зору класичної фізики (в якій електрон розглядається як частинка матерії з від’ємним зарядом), але виявляється цілком реальним в явищах мікросвіту, які описуються законами квантової механіки, згідно з якими електрон має подвійну природу: з одного боку, він є частинкою, а з іншого боку, він може проявляти себе як електромагнітна хвиля. А електромагнітна хвиля може перейти через потенціальний бар'єр, тобто через область електричного поля, не взаємодіючи з цим полем.

Процеси в тунельному діоді зручно розглядати на енергетичних діаграмах, що показують рівні енергії валентної зони і зони провідності в п- і р-областях. Внаслідок виникнення контактної різниці потенціалів в n-р-переході границі всіх зон в одній з областей зсунуті відносно відповідних зон іншої області на висоту потенціального бар'єра, виражену в електрон-вольтах.

Н

Рис.8.10. Енергетичні діаграми n-р-переходу в тунельному діоді при різних напругах

а рис.8.10 за допомогою енергетичних діаграм зображено виникнення тунельних струмів в електронно-дірковому переході тунельного діода. Для того щоб не ускладнювати розгляд тунельний ефекту, дифузійний струм і струм провідності на цьому малюнку не показані. Діаграма на рис.8.10.а) відповідає відсутності зовнішньої напруги. Висота потенціального бар'єра взята для прикладу 0,8 еВ, а ширина забороненої зони становить 0,6 еВ. Горизонтальними лініями в зоні провідності і у валентній зоні показані енергетичні рівні, повністю або частково зайняті електронами. У валентній зоні і в зоні провідності зображені також не заштриховані горизонтальними лініями ділянки, які відповідають рівням енергії, не зайнятим електронами. Як видно, в зоні провідності напівпровідника n-типу і у валентній зоні напівпровідника р-типу є зайняті електронами рівні, яким відповідають однакові енергії. Тому можливий тунельний перехід електронів з області n в область p (прямий тунельний струм І_пр) і з області р в область п (зворотний тунельний струм І_зв). Ці два струми однакові за значеннями, і тому результуючий струм дорівнює нулю.

На рис.8.10.б) показана діаграма при прямий напрузі 0,1 В, за рахунок якої потенціальний бар'єр знизився на 0,1 еВ і становить 0,7 еВ. У цьому випадку тунельний перехід електронів з області n в область p підсилюється, оскільки в області p є у валентній зоні вільні рівні з такими ж енергіями, як енергії рівнів, зайнятих електронами в зоні провідності області п. А перехід електронів з валентної зони області p в область n неможливий, оскільки рівні, зайняті електронами у валентній зоні області р, відповідають в області n енергетичним рівням забороненої зони. Зворотний тунельний струм відсутній, і результуючий струм досягає максимуму. У проміжних випадках, наприклад, коли U_пр = 0,05 В, існує і прямий і зворотний тунельний струм, але зворотний струм менший прямого. Результуючим буде прямий струм, який буде менший від максимального, який виникає при U_пр = 0,1 В.

Випадок, показаний на рис.8.10.в), відповідає U_пр = 0,2 В, коли висота потенціального бар'єра стала 0,6 еВ. При цій напрузі тунельний перехід неможливий, оскільки рівням, зайнятим електронами в даній області, відповідають в іншій області енергетичні рівні, що знаходяться в забороненій зоні. Тунельний струм рівний нулю. Він відсутній також і при більшому значенні прямої напруги.

Потрібно пам'ятати, що при зростанні прямої напруги збільшується прямий дифузійний струм діода. При розглянутих значеннях U_пр < 0,2 В дифузійний струм набагато менший тунельного струму, а при U_пp > 0,2 В дифузійний струм зростає і досягає значень, характерних для прямого струму звичайного діода.

На рис.8.10.г) розглянутий випадок, коли зворотна напруга U_зв = 0,2 В. Висота потенціального бар'єра стала 1 еВ, і значно збільшилося число рівнів, зайнятих електронами у валентній зоні р-області і відповідних вільним рівням в зоні провідності n-області. Тому різко зростає зворотний тунельний струм, який виходить такого ж порядку, як і струм при прямій напрузі.

В

Рис.8.9. Вольт-амперна характеристика тунельного діода

ольт-амперна характеристика тунельного діода (рис.8.11) пояснює розглянуті діаграми. Як видно, при U_пр = 0 струм рівний нулю. Збільшення прямого напруга до 0,1 В дає зростання прямого тунельний струму до максимуму (точка А). Подальше збільшення прямого напруга до 0,2 В супроводиться зменшенням тунельного струму. Тому в точці Б виходить мінімум струму і характеристика має падаючу ділянку АБ, для якої характерно від’ємний опір змінному струму

R_i = u / i < 0. (8.3)

Після цієї ділянки струм знов зростає за рахунок дифузійного прямого струму, характеристика якого на рис.8.11 показана штриховою лінією. Зворотний струм виходить такий же, як прямий, тобто у багато разів більше, ніж у звичайних діодів.

Основні параметри тунельний діодів струм максимуму I_max, струм мінімуму I_min (часто вказується відношення I_max / I_min, яке переважно дорівнює декільком одиницям), напруга максимуму U₁, напруга мінімуму U₂, найбільша напруга U₃, яка відповідає струму I_mаx на другій наростаючій ділянці характеристики (ділянка БВ). Різниця U_п = U₃ -U₁ називається напругою перемикання або напругою стрибка. Струми в сучасних тунельний діодах складають одиниці міліампер, напруга десяті частки вольта. До параметрів також відносяться: від’ємний диференціальний опір діода (звичайно декілька десятків Ом), загальна ємність діода (одиниці або десятка пікофарад), час перемикання (десяті частки наносекунди) і максимальна або критична частота (сотні гігагерц).

В

Рис.8.12. Найпростіша схема ввімкнення тунельного діода для генерації коливань

микаючи тунельний діод у різні схеми, можна його від’ємним опором компенсувати додатний активний опір (якщо робоча точка буде знаходитися на ділянці АБ) і отримувати режим підсилення або генерації коливань. Наприклад, в звичайному коливальному контурі за рахунок втрат завжди є загасання. Але з допомогою від’ємного опору тунельного діода можна компенсувати втрати в контурі і отримати в ньому незатухаючі коливання. Найпростіша схема генератора коливань з тунельний діодом показана на рис.8.12.

Роботу такого генератора можна пояснити таким чином. При ввімкненні живлення в контурі LC виникають вільні коливання. Без тунельного діода вони затухли б. Нехай напруга E вибрана такою, щоб діод працював на падаючій ділянці характеристики, і нехай у час одного напівперіоду змінна напруга контура має полярність, показану на малюнку знаками «+» і «-» без гуртків (знаки «+» і «-» в кавичках відносяться до постійних напруг). Напруга від контура подається на діод і є для нього зворотною. Тому пряма напруга на діоді зменшується. Але за рахунок роботи діода на падаючій ділянці характеристики струм зростає, тобто пройде додатковий імпульс струму, який додасть енергію в контур. Якщо ця додаткова енергія достатня для компенсації втрат, то коливання в контурі стануть незатухаючими.

Т

Рис.8.13. Найпростіша схема підсилювача на тунельному діоді (а) і графік, що пояснює процес підсилення (б)

унельний перехід електронів через потенціальний бар'єр відбувається в надзвичайно малі проміжки часу: (10^-12  10^-14 ) c, або (10^-3  10^-5) нс. Тому тунельні діоди добре працюють на надвисоких частотах (НВЧ). Наприклад, можна генерувати і підсилювати коливання з частотою до десятків і навіть сотень гігагерц. Потрібно відмітити, що частотна межа роботи тунельних діодів практично визначається не інерційністю тунельний ефекту, а ємністю самого діода, індуктивністю його виводів і його активним опором.

Принцип підсилення з використанням тунельного діода проілюстрований на рис.8.13. Для отримання режиму підсилення необхідно мати певні значення Е і R_н. Опір R_н повинен бути небагато менше абсолютного значення від’ємного опору діода. Тоді при відсутності вхідної напруги початкова робоча точка Т може бути встановлена на середині падаючої дільниці (ця точка є перетином лінії навантаження з характеристикою діода). При подачі вхідної напруги з амплітудою U_m.вх лінія навантаження буде «здійснювати коливання», переміщаючись паралельно сама собі.

К

Рис.8.14. Робота тунельного діода в імпульсному режимі

райні її положення показані штриховими лініями. Вони визначають кінцеві точки робочої ділянки АБ. Проектуючи ці точки на вісь напруг, отримуємо амплітуду вихідної напруги U_m.вих, яка виявляється значно більшою амплітуди вхідної напруги. Особливість підсилювача на тунельному діоді це відсутність окремого вхідного і окремого вихідного кола, що створює деякі труднощі при реалізації схем з декількома каскадами підсилення. Підсилювачі на тунельних діодах можуть забезпечувати значне підсилення при невисокому рівні шумів.

Тунельний діод використовується також як швидкодіючий перемикач, зокрема час перемикання може бути біля 10^-9 с, тобто біля 1 нс, і навіть менше. Схема роботи тунельного діода в імпульсному режимі в загальному випадку така ж, як на рис.8.13, але тільки вхідна напруга має форму імпульсів, а опір R_н повинен бути дещо більшим за абсолютним значення від від’ємного опору діода. На рис.8.14 показана діаграма роботи тунельного діода в імпульсному режимі. Напруга живлення Е вибрана таким чином, що при відсутності вхідного імпульсу діод працює в точці А і струм виходить максимальним (I_max), тобто діод відкритий. При подачі додатного імпульсу вхідної напруги пряма напруга на діоді збільшується і режим роботи діода стрибком переходить в точку Б. Струм зменшеншується до мінімального значення I_mіn, і це умовно можна вважати закритим станом діода. А якщо встановити постійну напругу Е, яка відповідає точці Б, то можна переводити діод в точку А шляхом подачі імпульсу напруги від’ємної полярності.

Тунельні діоди можуть застосовуватися в техніці НВЧ, а також в багатьох імпульсних радіоелектронних пристроях, розрахованих на високу швидкодію. Крім досить малої інерційності перевагою тунельних діодів є їх стійкість до іонізуючого випромінювання, а також мале споживання енергії від джерела живлення. На жаль, експлуатація тунельний діодів виявила істотний їх недолік. Він полягає в тому, що ці діоди схильні до значного старіння, тобто з часом їх характеристики і параметри помітно змінюються, що може привести до порушення нормальної роботи того або іншого пристрою. Треба врахувати, що в майбутньому цей недолік вдасться звести до мінімуму.

Я

Рис.8.15. Вольт-амперна характеристика і умовне графічне позначення оберненого діода

кщо для діода застосувати напівпровідник з концентрацією домішки біля 10¹⁸ см^-3, то при прямій напрузі тунельний струм практично відсутній і у вольт-амперній характеристиці відсутня падаюча ділянка (рис.8.15). Проте при зворотній напрузі тунельний струм як і раніше значний, і тому такий діод добре пропускає струм у зворотному напрямку. Подібні діоди, що отримали назву обернені, можуть працювати як детектори на більш високих частотах, ніж звичайні діоди.

Всі тунельний діоди мають достатньо малі розміри. Наприклад, вони можуть бути оформлені в циліндричних герметичних металоскляних корпусах діаметром (34) мм і висотою біля 2 мм. Виводи у них гнучкі стрічкові. Маса не перевищує 0,15 г.

В наш час розробляються нові типи тунельний діодів, досліджуються нові напівпровідникові матеріали для них і вирішуються проблеми сповільнення їх старіння.