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 na=nd=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
Рис.2.20.Вольт-амперная характеристика туннельного диода
|
С ростом напряжения ток увеличивается и достигает максимума (Iср на рис.2.20), когда заполненная часть зоны проводимости Еn располагается напротив незаполненной части валентной зоны Ер. При дальнейшем увеличении напряжения (Vcp< V< Vост) взаимное перекрытие этих частей зон уменьшается и туннельный ток Iт 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 Iт=0, ток через p-n-переход равен сумме диффузионного и рекомбинационного токов. Рост тока при напряжениях заметно выше Vост обусловлен увеличением диффузионного тока по обычному закону. Практически ток в минимуме Iост, называемый также избыточным током, всегда больше, чем Iт+Iд+ IR, 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 Vс до Vост). 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<Voст 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 EF в металле расположен напротив EV полупроводника. При дальнейшем росте напряжения ток уменьшается вследствие увеличения высоты потенциального барьера Еб 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.
Рис.2.23.Схема генератора на туннельном диоде |
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.