Туннельный диод

08.06.2022

Туннельный диод или диод Эсаки (изобретён Лео Эсаки в 1957 году) — полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, на вольт-амперной характеристике которого при приложении напряжения в прямом направлении имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, обусловленный туннельным эффектом.

Устройство

Туннельный диод представляет собой p-n переход, обе области в котором имеют предельно сильное, до вырождения, легирование — концентрации доноров N D {displaystyle N_{D}} в n-области и акцепторов N A {displaystyle N_{A}} в p-области могут превышать 1019 см−3. В качестве полупроводникового материала используются кремний, германий, соединения AIIIBV. Прибор имеет два вывода, которые подключаются к общей цепи тем или иным способом.

Принцип функционирования

Обычные диоды при увеличении прямого напряжения монотонно увеличивают пропускаемый ток. В туннельном диоде квантовомеханическое туннелирование электронов обеспечивает особенность вольт-амперной характеристики: резкий подъём, а затем спад пропускаемого тока при увеличении прямого («+» на p-области) напряжения.

Из-за высокой степени легирования p- и n- областей yровни Ферми E F p {displaystyle E_{Fp}} , E F n {displaystyle E_{Fn}} лежат внутри разрешённых зон: E v p > E F p {displaystyle E_{vp}>E_{Fp}} и E F n > E c n {displaystyle E_{Fn}>E_{cn}} . На участке напряжений от нуля до ( E v p − E F p ) / q + ( E F n − E c n ) / q {displaystyle (E_{vp}-E_{Fp})/q+(E_{Fn}-E_{cn})/q} (здесь q {displaystyle q} — элементарный заряд) зона проводимости n-области энергетически перекрывается с валентной зоной р-области, то есть оказывается, что E v p > E c n {displaystyle E_{vp}>E_{cn}} . При таких напряжениях туннельный эффект позволяет электронам преодолеть энергетический барьер в области перехода с шириной 50—150 Å, причём вклад в ток дают в основном энергии из пересечения диапазонов E c n … E v p {displaystyle E_{cn}ldots E_{vp}} и E F p … E F n {displaystyle E_{Fp}ldots E_{Fn}} (большинство состояний в диапазоне E F p … E F n {displaystyle E_{Fp}ldots E_{Fn}} на одной стороне барьера заполнены электронами, а на другой пусты, что и создаёт условия для переноса). При дальнейшем увеличении прямого напряжения получается E v p < E c n {displaystyle E_{vp}<E_{cn}} и, поскольку энергия электрона при туннелировании должна сохраняться, оно становится невозможным — происходит срыв тока.

Образующаяся область отрицательного дифференциального сопротивления, где увеличение напряжения сопровождается уменьшением силы тока, используется для усиления слабых сверхвысокочастотных сигналов.

Параллельно с туннелированием электронов происходит их заброс по зоне проводимости из n-области в р-область. Этот процесс, как и в обычном диоде, монотонно усиливается с ростом прямого напряжения и обеспечивает второй подъём силы тока после спада (см. вольт-амперную характеристику).

История изобретения

«Генерирующий детектор»

Впервые «генерирующий детектор» — диод, образованный контактом металла с полупроводником и имеющий отрицательное дифференциальное сопротивление — был продемонстрирован Уильямом Экклзом в 1910 году, но в то время не вызвал интереса.

В начале 1920-х годов советский радиолюбитель, физик и изобретатель Олег Лосев независимо от Экклза обнаружил эффект отрицательного дифференциального сопротивления в диодах из кристаллического оксида цинка. Этот эффект получил название «кристадинный» и использовался для генерации и усиления электрических колебаний в радиоприёмниках и передатчиках, но вскоре был вытеснен из практической радиотехники электровакуумными приборами. Механизм возникновения кристадинного эффекта неясен. Многие специалисты предполагают, что он вызван туннельным эффектом в полупроводнике, но прямых экспериментальных подтверждений этого (по состоянию на 2004 год) получено не было. Существуют и другие физические явления, способные послужить причиной кристадинного эффекта. При этом кристадин и туннельный диод — это разные устройства, и отрицательное дифференциальное сопротивление у них проявляется на разных участках вольт-амперной характеристики.

Собственно туннельный диод

Впервые туннельный диод был изготовлен на основе германия в 1957 году Лео Эсаки, который в 1973 году получил Нобелевскую премию по физике за экспериментальное обнаружение эффекта туннелирования электронов в этих диодах.

Применение

Наибольшее распространение на практике получили туннельные диоды из Ge, GaAs, а также из GaSb. Эти диоды широко применяются в качестве предварительных усилителей, генераторов и высокочастотных переключателей. Они работают на частотах, во много раз превышающих частоты работы тетродов — до 30…100 ГГц.



Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2022
При цитировании информации ссылка на сайт обязательна.
Копирование материалов сайта ЗАПРЕЩЕНО!