105) Туннельный диод.

Т.д. – это полупроводниковый диод, содержащий p-n -переход с очень малой толщиной запирающего слоя. Действие Т. д. основано на прохождении свободных носителей заряда (электронов) сквозь узкий потенц. барьер благодаря квантовомеханич. процессу туннелирования (см. Туннельный эффект). Туннельный эффект (туннелирование) - квантовый переход системы через область движения, запрещённую классич. механикой. Типичный пример такого процесса - прохождение частицы через потенциальный барьер, когда её энергия меньше высоты барьера.

Поскольку вероятность туннельного просачивания электронов через барьер в значительной мере определяется шириной области пространственного заряда в p-n -переходе, Т. д. изготовляют на основе вырожденных полупроводников (с концентрацией примесей до 10²⁵- 10²⁷ м ^-3). При этом получается резкий p-n -переход с толщиной запирающего слоя 5-15 нм. При изготовлении Т. д. обычно применяют Ge и GaAs; реже используют Si, InSb, In As, PbTe, GaSb, SiC и др. полупроводниковые материалы. Для германиевых диодов в качестве донорных примесей, как правило, используют P или As, в качестве акцепторных - Ga и Аl; для арсенид-галлиевых - Sn, Pb, S, Se, Те (доноры), Zn, Cd (акцепторы). Узкий р - n -переход получают чаще всего методом вплавления.

Изобретение Т. д. экспериментально подтвердило существование процессов туннелирования в твёрдых телах. Туннельный механизм переноса заряда обусловливает N- образный вид вольт-амперной характеристики Т. д. (рис. 1). На рис. 2 приведены упрощённые энергетические диаграммы p-n -перехода Т. д. при разл. напряжениях смещения U. В отсутствие внеш. смещения (рис. 2, а )ферми-уровни в вырожденном (по обе стороны от перехода) полупроводнике находятся на одной высоте соответственно в валентной зоне и зоне проводимости (т. е. уровень Ферми постоянен по всему полупроводнику). Примем, что все разрешённые энергетические уровни, расположенные ниже уровня Ферми, заняты, а расположенные выше него - свободны. Тогда при U=0 туннельный переход невозможен и ток I равен нулю (точка А на рис. 1). Если на Т. д. подать небольшое прямое напряжение, то происходит уменьшение высоты потенц. барьера или смещение энергетических уровней p -области относительно энергетических. уровней n -области (рис. 2, б). В этом случае электроны проводимости из n -области туннелируют сквозь потенц. барьер (не меняя своей энергии) на разрешённые свободные энергетические уровни валентной зоны p -области - в Т. д. появляется туннельный ток I _т, направление которого противоположно направлению движения электронов (точка Б на кривой 2, рис. 1).

Рис. 1. ВАX туннельных диодов на основе Ge (1 )и GaAs (2): U- напряжение смещения на туннельном диоде; I/I макс -отношение тока через диод к току в максиме ВАX; I мин -ток в минимуме ВАX (отнесённый к I макс); U макс и U мин -напряжения смещения, соответствующие токам I макс и I мин; I т -туннельный ток; I д -диффузионный (тепловой) ток.

Т. д. находят применение в схемах усилителей и генераторов СВЧ-диапазона, в быстродейств. переключающих устройствах, устройствах памяти с двоичным кодом и т. д.

Рис. 2. Энергетические диаграммы p-n -перехода туннельного диода при различных напряжениях смещения (U1 и U2 - прямые смещения, U3 - обратное смещение); -верхняя граница валентной зоны; -нижняя граница зоны проводимости; - уровни Ферми дырок и электронов; -ширина запрещённой зоны; W- ширина p- n -перехода; I, и I д - туннельный и диффузионный токи; е - заряд электрона.