Туннельный диод. Принцип работы.

Принцип работы туннельного диода (TД) основан на явлении туннельного эффекта в p-n-переходе, образованном вырожденными полупроводниками. Это приводит к появлению на вольт- амперной характеристике участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением при прямом напряжении. Концентрация примесей в p- и n- областях выбирается порядка

10²⁰см^-3, следствием чего является малая толщина перехода (порядка 0,01 мкм). Локальные уровни примесей образуют в вырожденных полупроводниках сплошную зону. Уровни Ферми

W_Fp, W_Fn располагаются соответственно в валентной зоне p-области и в зоне проводимости n-области. В состоянии термодинамического равновесия зона проводимости n-полупроводника и валентная зона p-полупроводника перекрываются на величину

Известно, что частица, имеющая энергию, недостаточную для преодоления потенциального барьера, может пройти сквозь него, если с другой стороны этого барьера имеется свободный энергетический уровень, который она занимала перед барьером. Это явление называется туннельным эффектом. Чем уже потенциальный барьер и чем меньше его высота, тем больше вероятность туннельного перехода. Туннельный переход совершается без затраты энергии. Вольт-амперная характеристика туннельного диода показана на рис.

Для рассмотрения влияния туннельного эффекта на вольтамперные характеристики диода необходимо привести энергетические диаграммы

p-n- перехода для различных значений приложенного напряжения (рис. 2.26, б-з). При построении зонных диаграмм предполагаем, что все энергетические уровни в зоне проводимости от дна зоны до уровня Ферми заполнены электронами, а все уровни выше уровня Ферми свободны (нет штриховки). В валентной зоне p-области все энергетические уровни от потолка зоны до уровня Ферми считаем свободными от электронов, а все уровни ниже уровня Ферми заполненными. Исходя из этого, при U =0 ток через диод протекать не будет, т.к. свободным уровням в одной области соответствуют на той же высоте свободные уровни в другой области. При увеличении прямого напряжения 0 <U <U1 уровень Ферми в n-области выше, чем в p-области и поток электронов переходит из n-области в p-область. Величина этого прямого тока определяется степенью перекрытия свободных уровней в валентной зоне и заполненных уровней в зоне проводимости. С увеличением прямого напряжения это перекрытие расширяется и при U =U1 туннельный ток достигает максимального значения. При дальнейшем росте прямого напряжения U >U1 туннельный ток начинает убывать, т.к. перекрытие уровней сокращается и уменьшается число переходов электронов в p-область. При напряжении U = U2 потолок валентной зоны совпадает с дном зоны проводимости, перекрытие зон прекращается и туннельный ток становится равным нулю.

При этом напряжении появляется обычный диффузионный ток инжекции через p-n- переход. С увеличением прямого напряжения U > U2 прямой ток будет возрастать, как и в обычных выпрямительных диодах.

При обратном напряжении U < 0 опять возникают условия для туннельного перехода электронов с заполненных уровней валентной зоны p-области на свободные уровни зоны проводимости n-области. Через диод потечёт обратный ток в направлении от n-области к p-области. Туннельный диод обладает относительно высокой проводимостью при обратном напряжении.

Таким образом, туннельный диод обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением в некотором диапазоне прямых напряжений, что позволяет использовать его для генерации и усиления колебаний, а также в переключающих схемах.

Достоинством туннельных диодов являются высокие рабочие частоты, вплоть до СВЧ, низкий уровень шумов, высокая температурная устойчивость, большая плотность тока(10³-10⁴А/см²).

Как недостаток следует отметить малую отдаваемую мощность из - за низких рабочих напряжений и сильную электрическую связь между входом и вы-ходом, что затрудняет их использование.

Разновидностью туннельных диодов являются обращенные диоды, изготовляемые на основе полупроводника с концентрациями примесей в р - и n - областях диода, меньших, чем в туннельных, но больших, чем в обычных выпрямительных диодах.