1 .1.4. Туннельный диод

Туннельный диод – это полупроводниковый прибор, использующий туннельный эффект для переноса носителей заряда через потенциальный барьер p-n-перехода. Это высокочастотный прибор, применяется как маломощный генератор и усилитель высоких частот, находит применение в ключевых схемах автоматики. Изготавливаются эти приборы из германия и арсенида галлия. ВАХ туннельного диода и его условное обозначение показаны на рис. 1.6.

Как следует и рис. 1.6, а) односторонняя проводимость у диода полностью отсутствует. При отрицательном напряжении ВАХ линейна, проходит через начало координат и несколько «прижата» к оси ординат. В прямой ветви характеристики наблюдается падающий участок, которому соответствует отрицательное дифференциальное сопротивление (участок ab) и причиной которого является туннельный эффект – эффект прохождения носителей заряда через туннели в p-n-переходе без преодоления потенциального барьера. Пояснить ВАХ можно следующим образом. В туннельном диоде концентрация примесей очень высокая ( ), за счет этого ширина p-n-перехода чрезвычайно мала и доходит до сотых долей микрона, в результате чего расстояние между ионами доноров (n-полупроводник) и ионами акцепторов (p-полупроводник) становится меньше, чем расстояние между ионами только доноров и ионами только акцепторов. В результате электрическое поле в p-n-переходе крайне неравномерно и напряженность поля велика. Максимум напряженности достигается на участках перехода донор-акцептор, минимум напряженности – в пространстве между узлами кристаллической решетки. Именно там и образуются туннели, в которых напряженность близка к нулю, и носители зарядов могут через туннели свободно проходить из «p» области в «n» и наоборот. При отсутствии внешнего поля эти токи уравновешивают друг друга. При подаче малого напряжения (участок 0а) под действием внешнего поля устанавливается чисто туннельный ток основных носителей. В точке a происходит насыщение туннелей, и дальнейшее увеличение напряжения приводит к уменьшению прямого тока (участок ab).

Причин этого две:

1. Из-за высокой концентрации дырок и электронов в туннелях увеличивается количество актов рекомбинации, что приводит к уменьшению числа носителей заряда.

2. Из-за насыщения часть носителей вытесняется из туннелей в поле p-n-перехода, которое направлено навстречу внешнему полю, поэтому эти носители меняют направление движения и, сталкиваясь с нейтральными атомами решетки, вызывают лавинный ток. Лавинный ток направлен навстречу туннельному, что тоже уменьшает общий ток. При дальнейшем увеличении напряжения (участок bc) внешнее поле ослабляет поле p-n-перехода, потенциальный барьер снижается, лавинный ток прекращается, туннели расширяются, и к туннельному току добавляется диффузионный ток основных носителей, преодолевающих потенциальный барьер.

Основными параметрами туннельного диода являются ток пика (рис. 1.6) ; отношение тока пика к току впадины которое находится в диапазоне от 5-20 (чем оно выше, тем диод лучше); среднее значение отрицательного сопротивления

.