2.8. Туннельные диоды

     Туннельный диод является прибором с вольт-ампер­ной характеристикой N-типа, работа которого основана на туннельном прохождении носителей заряда через по­тенциальный барьер р—n-перехода. Как извест­но, вероятность туннельного прохождения частиц через потенциальный барьер растет с уменьшением его шири­ны. Поэтому для создания туннельных диодов исполь­зуются р—n-переходы с узкой областью объемного заряда. Другим требованием к материалу для туннельно­го диода является необходимость вырождения р- и n- областей. Полупроводники становятся вырожденными при сильном легировании. Уровень ферми в этом случае расположен в разрешенной зоне. С повышением концен­трации примесей уменьшается и ширина области объ­емного заряда р—n-перехода (при n_a=n_d=10¹⁹ см^-3,d=10^-6см). Таким образом, сильным легированием об­ластей р—n-перехода достигается вырождение р- и n- полупроводников и малое значение ширины р—n-пере­хода.

     На рис.2.19,а показана энергетическая диаграмма контакта двух вырожденных полупроводников р- и n-ти­па. Ширина р—n-перехода между вырожденными полу­проводниками достаточно мала для того, чтобы электро­ны из зоны проводимости n-области могли туннелировать на свободные уровни в валентной зоне р-области и наоборот. При отсутствии внешнего напряжения эти встречные потоки равны и результирующий ток через р—n-переход равен нулю.

     Если включить р—n-переход в прямом направлении (рис.2.19,б), то зона проводимости n-области сместится вверх по отношению к ва­лентной зоне р-области. В этом случае заполненные уровни зоны проводимости n-области окажутся напро­тив свободных уровней ва­лентной зоны р-области. Ве­роятность туннельных пере­ходов электронов из n- в р- область увеличивается, а в обратном       направлении уменьшается. Поэтому через p-n-переход протекает  ток электронов из n-в р-область.

  Рис. 2.19. Протекание тока в туннельном диоде

     С ростом напряжения ток увеличивается и достигает мак­симума (I_ср на рис.2.20), когда заполненная часть зоны проводимости Е_n располагается напротив незаполненной части валентной зоны Е_р. При дальнейшем увеличении напряжения (V_cp< V< V_ост) взаимное перекрытие этих частей зон уменьшается и туннельный ток I_т падает до нуля (рис. 2.19,в). При таких напряжениях становится определяющим обычный диффузионный или рекомбинационный ток через р—n-переход (штриховая линия из начала координат на рис. 2.20), поэтому, когда I_т=0, ток через p-n-переход равен сумме диффузионного и рекомбинационного токов. Рост тока при напряжениях за­метно выше V_ост обусловлен увеличением диффузион­ного тока по обычному закону. Практически ток в минимуме I_ост, называемый также избыточным током, всегда больше, чем I_т+I_д+ I_R, за счет туннельных пере­ходов через уровни, расположенные в запрещенной зоне n-полупроводника (переход 3—4 на рис. 23). При обратном смещении p-n-перехода (рис.2.19,г) туннельный ток непрерывно увеличивается с ростом на­пряжения, так как при этом все большая часть элек­тронов из валентной зоны р-области получает возмож­ность туннелировать в зону проводимости n-области.

Как видно из рис.2.20, на прямой ветви вольт-амперной характери­стики туннельного диода имеется участок с отрицательным дифференциальным сопро­тивлением (от V_с до V_ост). Он обусловлен уменьшением тун­нельного тока с ростом напряжения. В этом случае вольтамперная характеристика будет N-типа. На участ­ке отрицательного сопротивления действует положитель­ная обратная связь по напряжению: рост внешнего на­пряжения приводит к уменьшению количества туннелирующих электронов и увеличению сопротивления p-n- перехода. Вследствие перераспределения внешнего на­пряжения падение напряжения на p-n-переходе увеличивается, что приводит к дальнейшему увеличению его сопротивления, и т. д.

Перенос тока в туннельном диоде при V<V_oст осу­ществляется основными носителями, а не неосновными, как в обычных диодах. Это означает, что у них отсутствует диффузионная ёмкость, поэтому они могут работать на высоких частотах. В любом устройстве, у которого на вольт-амперной характеристике имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением( S- образная или N-образная характеристика) при определённом напряжение появляется неустойчивость тока, поэтому туннельные диоды могут быть использованы в качестве высокочастотных генераторов электрических колебаний.

При уменьшении  степени легирования n-полупро­водника вольтамперная характеристика туннельного диода изменяется. 

Рис. 2.21. Энергетическая диаграмма туннельного диода  в прямом смещении при слабом вырождении n-полупроводника и изменение вольт-амперной характеристики туннельного диода при                          изменении концентрации примеси в n-области (n₁>n₂>n₃).  С уменьшением концентрации примесей в n-области, прямой туннельный ток уменьшается вслед­ствие уменьшения концентрации электронов в n-области (рис.2.21,а). При некоторой концентрации туннельный ток может уменьшиться до такой степени, что максиму­ма на вольт-амперной характеристике не будет (рис.2.21,б). Обратный ток при этом остается достаточ­но большим, так как он определяется электронами, туннелирующими из р- в n-область. Такой диод подобен по виду вольт-амперной характеристики обычному, у кото­рого обратная и прямая ветви сменены местами, поэтому его называют «обращенным».

Достоинством обращенного диода является малое падение напряжения на нем в пропускном направлении. Кроме этого, вследствие туннельного характера проте­кания тока в прямом направлении, обращенный диод сохраняет высокочастотные свойства туннельного диода. Недостатком обращенного диода является малое значе­ние максимально допустимого напряжения в запираю­щем направлении. Поэтому они применяются при работе на малых сигналах в диапазоне высоких и сверхвысоких частот (детекторы, смесительные диоды и т. д. ).

При увеличении концентрации примесей в полупро­воднике сильно уменьшается подвижность носителей. например, в кремнии подвижность электронов падает до 100 см²/в.с. В германии и арсениде галлия подвиж­ность выше, вследствие чего туннельные и обращенные диоды изготавливаются в настоящее время из них.

Как следует из изложенного, для образования вольт- амперной характеристики N-типа необходимо, чтобы с ростом напряжения туннельный ток сначала увеличи­вался, а затем уменьшался. Кроме р — n-перехода из вы­рожденных полупроводников, это возможно и в других структурах, например в контакте вырожденного n-полу­проводника с металлом, разделенных слоем диэлектри­ка— окисла (МДП-структура на рис.2.22,а). Максимум тока здесь также соответствует напряжению, при кото­ром E_F в металле расположен напротив E_V полупровод­ника. При дальнейшем росте напряжения ток уменьша­ется вследствие увеличения высоты потенциального барьера Е_б и уменьшения вероятности туннелирования (высоту барьера определя­ем по разности энергий середины дна зоны проводимос­ти окисла и уровня, с которого туннелируют электроны). При обратном смещении электроны из валентной зоны полупроводника туннелируют в металл и ток непрерывно увеличивается с ростом напряжения, как и в случае p-n-перехода.

Рис. 2.22. Туннельный эффект в МДП- и МДПДМ-структурах 

Рассмотренный механизм протекания тока можно рас­пространить на случай структуры МДПДМ, состоящей из двух контактов типа МДП (рис. 2.22,б). Очевидно, вольт-амперная характеристика такой структуры сим­метрична и может иметь N-образный вид и при прямом, и при обратном смещении. Если полупроводник доста­точно тонкий, то может происходить непосредственное туннелирование электронов из металла в металл через слои окисла и полупроводника.

Туннельные диоды, благодаря их высокочастотным свойствам, применяются в схемах высокоскоростного переключения, а также для усиления и генерирования колебаний на сверхвысоких частотах.                                                  

Поскольку прибор с вольт-амперной характеристикой N-типа на участке отрицательного сопротивления имеет реактивность емко­стного характера, то для создания генератора к нему необходимо подключать внешнюю индуктивность (рис.2.23). Сопротивление нагрузки должно быть в этом случае меньше дифференциального сопротивления диода, для того чтобы нагрузочная прямая пересек­ла вольт-амперную характеристику только в одной точке. Обычно роль нагрузочного сопротивления выполняет сопротивление потерь диода и индуктивности, так что нет необходимости включать в схе­му внешнее сопротивление.