Co tłumaczy tak niezwykłe właściwości diody tunelowej? Jak sugeruje sama nazwa tego urządzenia, bazuje ona na dobrze znanej w mechanice kwantowej. efekt tunelu. Aby zrozumieć istotę tego efektu, zastanów się nad najprostszym przykładem.
Jeśli w pewnej odległości od kawałka metalu, nazwijmy go katodą, umieść anodę płytową (rys. 1) i podłącz ją do akumulatora B tak, aby biegun dodatni tego ostatniego był podłączony do anody, a ujemny do katody, a następnie obwód zewnętrzny będzie płynął prąd elektrycznyktóry zostanie zarejestrowany przez galwanometr G wchodzący w skład obwodu, zjawisko to od dawna jest dobrze znane w fizyce i technologii. Nazywa się zimny lub emisja terenowa.
Ryc. 1. Model diody próżniowej do zimnej emisji.
W temperaturze pokojowej nad powierzchnią metalu zawsze znajduje się pewna ilość wolnych elektronów, które jakby "odparowały" z metalu, tworząc tak zwaną chmurę elektronową. Te elektrony mogą "wydostać się" z metalu tylko dlatego, że energia ich ruchu termicznego okazała się większa niż energia z powodu sił utrzymujących elektron w metalu. Dzieło, które musi wykonać elektron, aby pokonać te siły, nazywa się wynik pracy. Dla różnych metali wielkość funkcji pracy jest różna.
Zewnętrzny pole elektryczne pomiędzy anodą i katodą zmniejsza wielkość funkcji pracy; dlatego, gdy napięcie akumulatora wzrasta w stałej odległości między katodami i anodą, prąd w zewnętrznym celu wzrasta.
Jaka powinna być natężenie pola dla prądu emisji zimnej w obwodzie zewnętrznym, aby osiągnąć maksymalną wartość? Oczywiście może to wystąpić przy takiej sile pola, gdy praca wyjściowa idzie do zera. Fizycy obliczyli, że na przykład dla wolframu natężenie pola wynosi E = U / t = 200 000 000 V / cm, tj. Jeśli odległość między anodą a katodą wynosi 1 cm, wówczas akumulator powinien mieć napięcie 200 000 000 V. Jeśli odległość jest równa 1 mikron (0,0001 cm), napięcie powinno wynosić 20 000 V. Wynika z tego, że nawet w tym drugim przypadku praktyczna realizacja takiego urządzenia jest bardzo trudna.
Jednak eksperymentalna weryfikacja udowodniła, że dla katody wolframowej można otrzymać wystarczająco duże prądy już przy natężeniu pola rzędu 10 6 V / cm, tj. W odległości 1 mikrona, wystarcza bateria o napięciu 100 V.
Tak duże rozbieżności między pierwotnie proponowaną teorią a eksperymentem zostały wyjaśnione za pomocą efektu tunelu. Faktem jest, że siły, które uniemożliwiają elektronowi opuszczenie metalu, tworzą tzw potencjalna bariera (Rys. 2), aby przezwyciężyć, który zgodnie z klasyczną teorią, elektron musi najpierw "wznieść się" na nią, wydając pracę równą funkcji pracy, a następnie przesuwając się swobodnie z katody do anody. Według mechaniki kwantowej, nie ma potrzeby, aby elektron "wspinał się" na barierę; pod pewnymi warunkami może on, bez wydawania energii, przejść "przez" go, jakby przez tunel.
Rysunek 2. Kształt potencjalnej bariery na katodzie na rys. 1: 1 - klasyczny sposób na pokonanie potencjalnej bariery, przejście 2 - tunel elektronowy.
Taki mechanizm "wyjścia" z metalu jest związany z reprezentacją fali ruchu elektronu w bryle. Istnieje dość ścisła analogia z przechodzeniem światła przez nieprzezroczystą (w zwykłym tego słowa znaczeniu) metalową płytę. Jeśli płyta jest wystarczająco cienka, to część strumień światła z konieczności przechodzą przez niego i można je wykryć po drugiej stronie płytki. W ten sam sposób potencjalna bariera może być wystarczająco "przezroczysta" dla elektronów "wynurzających się" z powierzchni danego ciała. Tylko w tym przypadku szerokość bariery, która decyduje o jej "przezroczystości", bardzo silnie zależy od wielkości napięcia. pole elektryczne.
W mechanice kwantowej przezroczystość bariery opisuje funkcja matematyczna, która pokazuje, jakie prawdopodobieństwo przejścia tunelowego elektronu ma dana energia. Wraz ze wzrostem natężenia pola elektrycznego wzrasta prawdopodobieństwo skrzyżowania tunelu, a potencjalna bariera dla elektronów staje się "bardziej przezroczysta".
Efekt tunelowy można również zaobserwować między dwoma półprzewodnikami. Na przykład, krytyczna siła pola dla germanu, przy której występuje znaczący prąd tunelowania, wynosi około 10 5 V / cm. Zatem, aby urządzenie półprzewodnikowe działające na tej zasadzie wystarczająco skutecznie przy stosunkowo niskich napięciach, konieczne jest zapewnienie wystarczająco małej odległości między odpowiednimi elektrodami.
W przeciwieństwie do przykładu z omówionymi wyżej metalami, interfejs pomiędzy półprzewodnikową "katodą" i "anodą" nie jest próżnią, ale tzw. chude warstwyktóry powstaje na granicy dwóch półprzewodników o różnych właściwościach elektrycznych. Taki związek półprzewodników w fizyce nazywa się złączem pn; jest dostępny dla wszystkich obecnie znanych diody półprzewodnikowe i tranzystory. Przypomnijmy, że litera p (od łacińskiego słowa dodatnia - dodatnia) oznacza, że prąd w tym półprzewodniku jest przenoszony przez ładunki dodatnie (dziury), a litera n (z łacińskiego słowa ujemna - ujemna) - ujemna (elektrody).
Na styku dwóch półprzewodników o różnych przewodnościach bardzo cienka warstwa jest wyczerpana w nośnikach prądu; nie ma w nim dziur ani elektronów. Warstwa ta, z grubsza mówiąc, odgrywa taką samą rolę jak odległość między anodą i katodą w powyższym przykładzie. Ale w przeciwieństwie do tego przykładu, w warstwie zubożonej zawsze występuje "własna", wewnętrzna siła pola elektrycznego z powodu obecności różnicy potencjałów równowagi między dwoma obszarami półprzewodnika o różnych typach przewodności. Ta różnica potencjałów "utrzymuje" elektrony po jednej stronie złącza pn i otwory po drugiej stronie ich wzajemnego przesunięcia, co nieuchronnie doprowadziłoby do pojawienia się prądu w obwodzie zewnętrznym. Dlatego też, gdy napięcie zewnętrzne nie jest doprowadzane do złącza pn, w nim ustala się stan równowagi, w którym prąd w obwodzie zewnętrznym wynosi zero.
Możliwe jest zakłócenie stanu równowagi złącza pn nie tylko poprzez podłączenie zewnętrznej baterii, ale również za pomocą dowolnego rodzaju napromieniowania (światło, energia cieplna lub jądrowa). W tym przypadku różnica potencjałów między półprzewodnikami maleje i powstaje przeciwny strumień otworów i elektronów, powodując pojawienie się prądu w obwodzie zewnętrznym. Zasada ta opiera się w szczególności na dobrze znanych amatorskich aparatach fotograficznych, w których zmienia się, w zależności od jasności, wielkość napięcia na złączu pn, odnotowana przez miliwoltomierz w obwodzie zewnętrznym. Jest oczywiste, że maksymalne napięcie, które może pokazywać miliwoltomierz (największe oświetlenie, nie może przekroczyć różnicy potencjałów równowagi, która zwykle wynosi 0,1-0,7 V).
Różnica potencjałów równowagi i szerokość warstwy zubożonej zależą od stężenia dziur i elektronów po obu stronach granicy między półprzewodnikami typu p i n: im wyższe stężenie, tym większa różnica potencjałów równowagi i już zubożona warstwa. Stężenie elektronów i dziur zależy od stężenia wprowadzonego do półprzewodnika podczas procesu powstawania zanieczyszczenia połączenia pn. Aby półprzewodnik miał pewną przewodność (elektron lub otwór), wprowadzane są do niego odpowiednie zanieczyszczenia. Na przykład, aby german i krzem miały przewodność elektroniczną, wstrzykuje się je antymonem, arsenem lub fosforem. Elementy, które przekazują przewodnictwo elektroniki półprzewodnikowej, są nazywane przez darczyńców. Do nadawania przewodnictwa otworu półprzewodnikowi zwykle stosuje się ind, gal i bor. Te elementy są nazywane akceptory.
Najpowszechniejszą metodą wytwarzania połączeń pn jest metoda topienia. Jego istota sprowadza się do faktu, że kropla indu osadza się na powierzchni płytki germanowej, na przykład typu elektronicznego, o grubości 0,1-0,5 mm Ind jest skondensowany z germanem w temperaturze około 500-600 ° C, w wyniku czego na płycie germanowej powstaje kropla Stop indowo-germanowy. Podczas następnego chłodzenia german krystalizuje ze stopu i wychwytuje atomy indu oraz nabywa przewodność otworu. Na granicy tej rekrystalizowanej warstwy typu p z początkowym germanem typu n powstaje połączenie pn.
W konwencjonalnych diodach półprzewodnikowych i tranzystorach, szeroko stosowanych w nowoczesnym sprzęcie elektronicznym, stężenie elektronów i otworów rzadko przekracza 10 17 w 1 cm3 (zwykle 10 14 -10 16 w 1 cm 3). W tym przypadku różnica potencjałów równowagi wynosi zwykle 0,2-0,3 V, a szerokość warstwy zubożonej wynosi kilka mikronów.
Jak zauważono wcześniej, aby efekt tunelowania był obserwowany w złączu pn, konieczne jest zapewnienie wystarczająco wysokiego natężenia pola elektrycznego na styku dwóch półprzewodników. W tym celu konieczne jest zwiększenie różnicy potencjałów równowagi, aby warstwa już zubożona była jak najdalej. Te dwa wymagania mogą być spełnione jednocześnie, jeśli stężenie elektronów i otworów po obu stronach interfejsu jest zwiększone.
Dlatego w germanowych diodach tunelowych stężenie elektronów i otworów osiąga 10 19 -10 20 w 1 cm3. Takie półprzewodniki nazywane są zdegenerowanymi, a ich właściwości stają się bardzo bliskie metalom. Szerokość zubożonej warstwy w takim złączu pn jest rzędu 0,01 mikrona, a zatem tylko z powodu różnicy potencjałów równowagi, która w tym przypadku wynosi 0,6-0,7 V, natężenie pola w złączu pn może osiągnąć 5 * 10 5 -7 * 10 5 B / cm. Dzięki tak wąskiemu połączeniu pn, nawet bez zewnętrznego odchylenia, musi płynąć znaczny prąd tunelowy!
Jednak tak się nie stanie, ponieważ, inaczej niż na schemacie na rys. 1 na skrzyżowaniu pn, prąd tunelowy pojawi się nie tylko z regionu p i regionu n, ale również prąd skierowany do niego z regionu n do regionu p. Ponieważ te prądy są równe, wynikowy prąd w obwodzie zewnętrznym będzie wynosił zero.
Taka równowaga będzie miała miejsce, dopóki w pewien sposób nie "zmu- szymy" jednego z prądów składowych do spadku w porównaniu do drugiego. Można to łatwo zrobić, korzystając z odchylenia baterii. Jeśli podłączysz baterię B jak pokazano na rys. 3, a, to znaczy biegun dodatni do obszaru p, i ujemny do obszaru n, strumień elektronów od n do p wzrasta, a od p do n maleje. W rezultacie pojawi się wynikowy prąd Io, który zostanie skierowany w obwodzie zewnętrznym od prawej do lewej. To włączenie baterii odpowiada przesunięciu w przód w złączu pn. Jeśli biegunowość źródła jest odwrócona, jak pokazano na rys. 3b, strumień elektronów od n do p zmniejsza się, a od p do n wzrasta, a powstały prąd zmienia swój kierunek. To włączenie baterii odpowiada odwrotnemu polaryzacji w złączu pn.
Ryc. 3. Model pn-transition. a - przesunięcie do przodu; b - odchylenie odwrotne.
Urządzenie półprzewodnikowe, które rozważaliśmy, zostało wywołane dioda tunelowaPonieważ jego konstrukcja (dwie elektrody) jest całkowicie analogiczna do dobrze znanych i powszechnie stosowanych diod półprzewodnikowych. Jednak zasada działania tych dwóch urządzeń i ich charakterystyka są znacząco różne.
W konwencjonalnych diodach półprzewodnikowych i tranzystorach elektron, aby uzyskać region od n do regionu p (i odwrotnie), musi "wspinać się" na barierę potencjalną, pochłaniając znaczną część swojej energii cieplnej, ponieważ duża szerokość zubożonej warstwy nie pozwala na to w ten sam sposób przez skrzyżowanie tunelu. Dlatego też, w tych urządzeniach, prąd napięciowy zwiększa się dość powolnie w zakresie napięć od 0 do 0,1-0,2 V, ponieważ w temperaturze pokojowej w półprzewodniku znajduje się zbyt mało wolnych elektronów o energii wystarczającej do pokonania bariery potencjału.
Na rys. 4 dla porównania pokazano charakterystyki prąd-napięcie konwencjonalnych diod półprzewodnikowych (krzywa /) i tunelu (krzywa 2). W przeciwieństwie do zwykłego prądu diody tunelowej przy niskich napięciach w kierunkach do przodu i do tyłu wzrasta bardzo ostro. Wynika to z faktu, że zgodnie z prawami mechaniki kwantowej, w złączu tunelowym elektron nie zużywa swojej energii i dlatego może dokonywać takich przejść nawet w temperaturze zbliżonej do zera bezwzględnego (-273С). W takich temperaturach zwykłe diody półprzewodnikowe i tranzystory w ogóle nie będą działały, ponieważ głównym czynnikiem powodującym przemieszczanie się elektronów w tych urządzeniach z jednego regionu półprzewodnika do drugiego jest energia ruchu termicznego. Ta okoliczność wyjaśnia fakt, że diody tunelowe działają w znacznie szerszym zakresie temperatur niż konwencjonalne urządzenia półprzewodnikowe.
Ryc. 4. Charakterystyka woltamperowa: 1 - zwykła dioda półprzewodnikowa; 2 - dioda tunelowa.
Ponieważ istnieje wiele elektronów tworzących złącze tunelowe w zdegenerowanym półprzewodniku, prąd przy małych odchyleniach do przodu i w tył zależy tylko od różnicy między nadciągającymi strumieniami, których intensywność jest regulowana przez napięcie działające jak zawór.
W odróżnieniu od prądu, przy odchyleniach odwrotnych, prąd tunelowania w kierunku do przodu osiąga pewną maksymalną wartość Imax przy napięciu U1, a następnie zaczyna zmniejszać się dosyć ostro do pewnej wartości minimalnej Imin. Wynika to z faktu, że wraz ze wzrostem napięcia w kierunku do przodu maleje liczba elektronów zdolnych do tworzenia połączenia tunelowego. Przy napięciu U2 liczba tych elektronów staje się zerem i prąd tunelowy również musiałby zniknąć. Ale, jak wynika z rys. 4, przy napięciu U2, prąd osiąga pewną minimalną wartość Imin, a następnie zaczyna gwałtownie wzrastać. Wznoszące się gałęzie charakterystyk obu diod pokrywają się, gdy napięcie osiąga wartość U2. Nie jest to zaskakujące, ponieważ, wychodząc z tego napięcia, kiedy prąd tunelowania zatrzymuje się, mechanizm przechodzenia elektronów przez złącze pn w obu diodach staje się taki sam, ponieważ jest związany z termicznym przenoszeniem elektronów przez barierę potencjału. Ta przyczyna częściowo wyjaśnia obecność obecnego Imina przy napięciu U2.
W przeciwnym kierunku prąd zwykłej diody jest niezwykle mały, ponieważ wysokość potencjalnej bariery w tym przypadku okazuje się być bardziej wyrównana i stanowi jednostkę mikroamperową. Pod tym względem jego odwrotna oporność jest bardzo duża (rzędu kilku meg). W diodzie tunelowej prąd wsteczny gwałtownie wzrasta wraz ze wzrostem napięcia, a już przy napięciu rzędu dziesiątych części wolta może wynosić kilkadziesiąt miliamperów. Dlatego jego opór w przeciwnym kierunku to ohmy jedności.
Główną zaletą diody tunelowej nad znanymi urządzeniami półprzewodnikowymi jest jej ekstremalnie wysoka granica częstotliwości, do której może być wykorzystywana w różnych obwodach radiowych. Ta cecha jest związana z mechanizmem przejścia elektronu przez wąskie połączenie pn i wyjaśniona jest przez następujące powody. Przejście tunelowe elektronu zachodzi niemal natychmiast, z prędkością zbliżoną do prędkości światła (czas przejścia wynosi 10 -13 -10 -14 s).
Następna przyczyna niskiej bezwładności diody tunelowej jest związana z naturą ruchu elektronów w homogenicznym obszarze półprzewodnika po przejściu przez barierę potencjału.
Rozważ to bardziej szczegółowo. W zwykłych diodach półprzewodnikowych elektron, który opuścił półprzewodnik typu n, wpada w półprzewodnikowy obszar typu p, gdzie okazuje się być "obcy" otoczony dużą liczbą dodatnich ładunków - dziur. W fizyce nazywa się takie elektrony drobne Nośniki ładunku, w przeciwieństwie do głównych nośników, które są dziurami w obszarze p lub elektronami w obszarze n. Specyfika ruchu nośników mniejszościowych w półprzewodnikach polega na tym, że poruszają się z szybkością dyfuzji, to jest bardzo wolno. Transmisja sygnału elektrycznego następuje z tą samą szybkością. Klasycznym przykładem ruchu dyfuzyjnego jest rozprzestrzenianie się farby w szklance wody. Powszechnie wiadomo, że cząsteczki farby są równomiernie rozprowadzane w całej objętości cieczy pod działaniem ruchu termicznego. Wokół tego samego prawa występuje i rozprzestrzenianie się nośników mniejszości w dużej części półprzewodników. Ta okoliczność ma decydujące znaczenie dla oceny bezwładności konwencjonalnych diod półprzewodnikowych i tranzystorów. Z tego powodu najbardziej wysokoczęstotliwościowe diody i tranzystory, które wykorzystują tylko mechanizm dyfuzyjny transferu prądu, mogą działać z częstotliwościami rzędu kilkudziesięciu megaherców.
Sytuacja jest zupełnie inna w diodzie tunelowej. Tutaj elektron opuszczający półprzewodnik typu n wchodzi w obszar p, jak gdyby przekształcony w ładunek dodatni, to znaczy w otwór. Zatem wszystkie elektrony, które spowodowały przejście tunelu z regionu n do regionu p stają się głównymi nośnikami w regionie p.
Wiadomo, że transmisja sygnału elektrycznego za pomocą głównych nośników ładunku dla danego półprzewodnika zachodzi z prędkością światła. Najbardziej uderzającym tego potwierdzeniem jest przepuszczanie prądu przez metaliczny przewodnik, w którym elektrony pochodzące z akumulatora są głównym nośnikiem. Dlatego dioda tunelowa jest urządzeniem prawie bezwładnościowym.
Jak zobaczymy, ograniczenie częstotliwości stosowania diody tunelowej jest ograniczone tylko obecnością takich parametrów jak pojemność złącza pn i odporność na straty ze względu na rezystancję objętościową materiału i przewodów wyjściowych.
Parametry te są nieodłącznie związane z każdą diodą tunelową, a zatem tworzenie próbek o wyższej częstotliwości jest zredukowane głównie do opracowania najbardziej zaawansowanego projektu i poszukiwania odpowiednich materiałów półprzewodnikowych, których użycie zminimalizuje pojemność złącza i odporność na straty.
Należy zauważyć, że promieniowanie jądrowe ma duży wpływ na charakterystykę ruchu dyfuzyjnego. Dlatego parametry konwencjonalnych diod i tranzystorów, w których wskazany mechanizm ruchu jest decydujący dla ich właściwości, zmieniają się znacznie już przy nieistotnych dawkach promieniowania. Z drugiej strony, diody tunelowe są mało wrażliwe na promieniowanie jądrowe.
Jeden typ diody tunelowej jest diodą odwróconą, która ma charakterystykę prądowo-napięciową, która pasuje do diody tunelowej.
Wysoka stromość charakterystyki w przeciwnym kierunku umożliwia wykorzystanie odwróconych diod do wykrywania naprzemiennych sygnałów o napięciu kilku miliwoltów. Praktycznie niemożliwe jest wykrywanie tak małych napięć za pomocą zwykłych diod, ponieważ we wskazanym zakresie napięć ich krzywe są niewystarczające do skutecznego wykrywania.
Dioda tunelowa, wynaleziona przez L. Esakiego (1973 Nagroda Nobla), jest diodą półprzewodnikową opartą na rp przejście, które jako p-obszar (anoda A) i n- region (katoda C) składa się ze zdegenerowanego (silnie domieszkowanego) półprzewodnika (rys. 2.1a), dlatego SCR rp Przejście ma bardzo małą szerokość ().
W rezultacie potencjalna bariera w rp przejście okazuje się przezroczyste w tunelu dla elektronów w paśmie przewodnictwa p-region i elektrony pasma walencyjnego p-obszar.
W zjawisku tunelowania główną rolę odgrywają główni przewoźnicy. Czas tunelowania nośników przez potencjalną barierę nie jest opisany w zwykłym języku czasu tranzytu ( 
gdzie 
- szerokość bariery 
- prędkość nośna); opisuje się ją za pomocą prawdopodobieństwa przejścia kwantowo-mechanicznego w jednostce czasu i jest bardzo mała. Dlatego też diody tunelowe mogą być stosowane w zakresie fal milimetrowych (\u003e 30 - 300 GHz).
Po przyłożeniu napięcia do przejścia, elektrony mogą tunelować od pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa i na odwrót. Aby przejść przez prąd tunelowania, muszą być spełnione następujące warunki: 1) stany energetyczne po stronie przejścia, z którego tunelowane są elektrony, muszą być wypełnione; 2) po drugiej stronie przejścia, stany energii o tej samej energii powinny być wolne; 3) wysokość i szerokość potencjalnej bariery musi być na tyle mała, aby istniało zauważalne prawdopodobieństwo tunelowania; 4) musi zostać spełnione prawo zachowania quasi-rozpędu.
Dioda tunelu jest negatronem N-type; jego IVC pokazano na ryc. 2.1b.
Działanie diody tunelowej zilustrowano wykresami energetycznymi na ryc. 2.2. W przeciwieństwie do techniki przyjętej w analizie tradycyjnych urządzeń półprzewodnikowych, tutaj nie będziemy używać pojęć quasi-cząstek - elektronów przewodzących i dziur w paśmie walencyjnym, ograniczając się do rozpatrywania zachowania się rzeczywistych elektronów zarówno w paśmie przewodnictwa, jak iw paśmie walencyjnym.
Według 1) i 2) tylko te elektrony, których energia odpowiada dozwolonym pasmom energetycznym po przeciwnej stronie bariery, mogą przechodzić przez barierę. Te elektrony są oznaczone strzałkami na ryc. 2.2.
Wykres 1 odpowiada stanowi równowagi V = V 1 = 0. Przepływy elektronów w lewo i w prawo są takie same, a prąd przez diodę wynosi zero: Ja 1 = 0 (punkt 1 na Rys. 2.1b).
Wykres 2 odpowiada niewielkiemu napięciu dodatniemu V
=
V 2, nie przekraczając napięcia szczytowego V str na rys. 2.1b. Jak widać na diagramie, strumień elektronów tunelu od lewej do prawej strony znacznie się zmniejszył. Strumień elektronów tunelowych od prawej do lewej nieznacznie się zmniejszył, ponieważ większość elektronów w paśmie przewodnictwa p-obszary mają mniejsze energie 
. W rezultacie całkowity prąd tunelowania wzrasta wraz ze wzrostem napięcia (punkt 2 na Rys. 2.1b).
Pod napięciem V
=
V 3
>
V str (diagram 3) tunelowy przepływ elektronów od lewej do prawej jest praktycznie zablokowany. Od prawej do lewej, tunel elektronów, którego energia leży w zasięgu 
. Liczba tych elektronów maleje wraz ze wzrostem napięcia, dlatego całkowity prąd tunelowania również maleje wraz ze wzrostem napięcia, co odpowiada ujemnemu oporowi różnicowemu (punkt 3 na Rys. 2.1b).
Wykres 4 odpowiada dość dużemu napięciu przewodzenia V
=
V 4
>
V str kiedy przepływy tunelu elektronowego są zablokowane (punkt 4 na Rys. 2.1b). Przepływ elektronów od prawej do lewej jest teraz zależny wyłącznie od elektronów energetycznych p-regiony energetyczne 
. Mechanizm tego prądu odpowiada mechanizmowi wprowadzania elektronów energetycznych przez barierę w konwencjonalnej diodzie półprzewodnikowej. Strumień elektronów z pasma walencyjnego dodaje się do tego strumienia od prawej do lewej. p-obszary w pustych dozwolonych stanach pasma wartościowości p-obszary (nie pokazano na wykresie 4). Mechanizm tego prądu odpowiada mechanizmowi wprowadzania otworów energetycznych przez barierę p-obszary w p-obszar w konwencjonalnej diodzie półprzewodnikowej. Prądy te tworzą gałąź dyfuzji IVC. Prąd dyfuzyjny wzrasta wykładniczo wraz z napięciem przewodzenia.
Tak więc, bezpośrednia gałąź charakterystyki prądowo-napięciowej diody tunelowej jest utworzona z tunelu i odgałęzień dyfuzyjnych pokazanych na fig. 2.1b linie przerywane. Odgałęzienie tunelu tworzy odcinek ODS, gałąź dyfuzji IVC jest monotoniczna.
Wykres 5 odpowiada napięciu wstecznemu V < 0. Jak widać na diagramie, strumień elektronów tunelowych od prawej do lewej jest prawie niezależny od napięcia, a strumień elektronów od lewej do prawej dramatycznie wzrasta wraz ze wzrostem napięcia wstecznego (punkt 5 na ryc. 2.1b). Odwrotna gałąź charakterystyki prądowo-napięciowej odpowiada awarii tunelu przy zerowym napięciu przebicia.
Proces tunelowania może być bezpośredni i pośredni. Przy bezpośrednim tunelowaniu (ryc. 2.3a) elektrony mogą tunelować w pobliżu minimum pasma przewodnictwa do maksimum pasma walencyjnego bez zmiany quasi-pędu. Odbywa się to w przypadku półprzewodników z bezpośrednią przerwą (na przykład GaAs, GaSb), w których zbieżne są pozycje dna pasma przewodnictwa i góry pasma walencyjnego w przestrzeni quasi pulsów.
Tunelowanie pośrednie (ryc. 2.3c) występuje wtedy, gdy pozycje dna pasma przewodnictwa i góry pasma walencyjnego w przestrzeni quasi pulsów nie pokrywają się. Aby spełnić prawo zachowania quasi-pędu w procesie tunelowania, w tym przypadku musi wziąć udział jeszcze jedna cząstka (fonon lub centrum nieczułości). Prawa zachowania energii i quasi-rozpędu podczas tunelowania z udziałem fononów są sformułowane w następujący sposób: suma energii fonon i energii początkowej tunelowania elektronowego z n- w str-kraj jest równy końcowej energii elektronu, do którego został tunelowany str-region; suma początkowego quasi-pędu elektronu i quasi-pędu fononu jest równa końcowemu quasi-pędowi tunelującego elektronu. Ogólnie prawdopodobieństwo pośredniego tunelowania jest znacznie mniejsze niż prawdopodobieństwo bezpośredniego.
Dioda tunelowa jest specjalną diodą, której charakterystyka różni się od charakterystyki zwykłej diody lub diody Zenera.
Zarówno dioda konwencjonalna, jak i dioda Zenera są bardzo dobrymi przewodnikami, mając tendencję do przodu, ale żadna z nich nie przewodzi dobrego prądu w stanie polaryzacji wstecznej (z wyjątkiem obszaru awarii). Ale w materiale diody tunelowej znajdują się dodatki o znacznie większej objętości niż w zwykłej diodzie, a jego złącze P - N jest bardzo wąskie. Dioda tunelowa, ze względu na to, że ma dużą liczbę dodatków i bardzo wąskie złącze P-N, przewodzi prąd wyjątkowo dobrze w obu kierunkach.
Potencjał, który jest potrzebny, aby wymusić działanie diody tunelowej jako przewodnika, niezależnie od tego, czy jest on w trybie przesunięcia do przodu czy do tyłu, jest bardzo mały, zwykle ten potencjał znajduje się w zakresie miliwoltów. Właśnie dlatego diody tunelowe są znane jako urządzenia o niskiej impedancji. Bardzo słabo przeciwdziałają ruchowi prądu w obwodzie.
Najbardziej charakterystyczną cechą diod tunelowych jest ich stosunek napięcia do prądu, gdy są bezpośrednio odchylane. Kiedy dioda tunelowa ma odchylenie do przodu (od punktu A do punktu B na wykresie) w miarę wzrostu napięcia, prąd również wzrasta do pewnej wartości. Po osiągnięciu tej wartości dalszy wzrost napięcia przy odchyleniu do przodu powoduje zmniejszenie prądu do wartości minimalnej (z punktu B do punktu C). W obszarze, który znajduje się na wykresie między maksymalnym i minimalnym przepływem prądu, dioda tunelu ma ujemny opór. W tym obszarze rezystancji ujemnej prąd płynący przez diodę tunelową zmniejsza się wraz ze wzrostem napięcia. Występuje przeciwieństwo zwykłego stosunku napięcia do prądu. Jednakże, gdy napięcie za punktem C wzrasta, to urządzenie wykazuje zwykle stosunek napięcia i prądu.
W normalnych warunkach diody tunelowe działają w obszarze ich ujemnego oporu. W tym obszarze niewielki spadek napięcia powoduje włączenie tego urządzenia, a niewielki wzrost powoduje jego wyłączenie. Jako taki swoisty przełącznik, dioda tunelowa może być używana albo jako generator, albo jako przełącznik o wysokiej prędkości: specyficzna cecha urządzenia, niska rezystancja, pozwala prawie natychmiast zmienić wewnętrzną rezystancję. Diody tunelowe mogą być również wykorzystywane jako wzmacniacze, gdzie zmiany w górę przyłożonego napięcia powodują proporcjonalnie bardziej znaczące zmiany prądu w obwodzie.
Na rys. 5.1a pokazuje charakterystykę prądowo-napięciową diody tunelowej. Cecha tej cechy jest następująca. W dziedzinie napięć zwrotnych, prąd wsteczny rośnie bardzo szybko wraz ze wzrostem napięcia, to znaczy dioda tunelowa ma bardzo małą odwrotną oporność różnicową. W obszarze napięć stałych, przy wzrastającym napięciu, prąd stały najpierw wzrasta do wartości szczytowej przy napięciu kilkudziesięciu miliwoltów, a następnie zaczyna maleć (przekrój AB, w którym dioda tunelu ma przewodność ujemną) Prąd spada do wartości minimalnej I2 przy napięciu rzędu kilkuset miliwoltów W przyszłości prąd stały ponownie wzrasta wraz ze wzrostem napięcia.
Zacieniony obszar charakterystyki prądowo-napięciowej (rys.5.1 a) odpowiada tak zwanemu prądowi nadmiarowemu diody tunelowej. W tym obszarze prąd diody tunelowej jest określany przez sumę dwóch prądów: bezpośredniego prądu tunelowania i prądu dyfuzji. Jednak liczne badania eksperymentalne wykazały, że prąd I 2 prawdziwej diody tunelowej jest zasadniczo bardziej aktualne I 2 idealizował diodę tunelową. Różnica tych prądów nazywana jest przetężeniem. Ustalono, że zależy on głównie od stężenia niekontrolowanych technologicznie zanieczyszczeń i stopnia domieszkowania materiału wyjściowego, ale ostatecznie charakter nadmiaru prądu jest niejasny.
Różnicowe przewodnictwo G zmienia się, gdy odchylenie zmienia się od 0 do U 3 dwukrotnie (w punktach odpowiadających napięciom U 1 i U 2) zanika, to znaczy dioda tunelu może dwukrotnie uszkodzić diodę zewnętrzną. obwód elektryczny, przechodząc z elementu pasywnego w aktywny i odwrotnie. Ta okoliczność doprowadziła do powszechnego stosowania diod tunelowych w technologii impulsowej.
Prąd przepływający przez diodę tunelową zawiera pięć komponentów:
Prądy tunelujące ze względu na tunelujące przejście elektronów z pasma walencyjnego regionu p do pasma przewodnictwa n-regionu;
Prądy tunelujące ze względu na przejście tunelowe elektronów od pasma przewodnictwa n-regionu do pasma walencyjnego p-regionu;
Prąd dryfu nośników mniejszości obu regionów przez złącze pn I dr;
Prąd dyfuzji głównych nośników obu regionów przez złącze pn I diff;
Tak zwany prąd nadmiarowy, który można uznać za szczególny przypadek prądu - tunelowe przejście nośników z wykorzystaniem dopuszczalnych (nieczystości lub dyslokacji) poziomów w pasmie wzbronionym.
W ten sposób powstały prąd przez przejście
a) 
b)
c) 
Ryc. 5.1. Charakterystyka diody tunelowej: a), c) napięcie prądu; b) zależność napięciowa przewodności diody
Podkreślamy różnicę między prądami tunelu przez barierę a prądami dryfującymi i dyfuzyjnymi przez barierę; w pierwszym przypadku elektrony przenoszą się z pasma wartościowości jednego regionu do pasma przewodnictwa innego regionu lub w przeciwnym kierunku; w drugim przypadku elektrony (lub dziury) są przenoszone z pasma przewodnictwa (wartościowości) jednego regionu do tej samej strefy innego regionu. Na rys. 5.1 w charakterystyce prądowo-napięciowej diody tunelowej jest reprezentowana jako zależność sumy prądów I n p, I p n oraz zwykłego prądu diody (dyfuzji i dryfu) na przyłożonym napięciu.
Rozważmy teraz bardziej szczegółowo charakterystykę prądowo-napięciową diody tunelowej w poszczególnych punktach przypisanych do niej (a, b, c, d, e, f, g, ryc. 5.2):
a) przy zerowym przemieszczeniu elektronów przewodnictwa n-regionu, elektrony walencyjne regionu p przeciwstawiają się (ryc. 5.2, a). Jeśli wszystkie określone poziomy są wypełnione, wówczas przejścia przez tunel są niemożliwe. W rzeczywistości, w temperaturze pokojowej niektóre z tych poziomów są uwalniane przez elektrony przeniesione na poziomy powyżej poziomu Fermiego. Istnieje zatem pewne prawdopodobieństwo, że elektron walencyjny p-regionu, bez zmiany jego energii, utworzy połączenie tunelowe i zajmie odpowiedni poziom w paśmie przewodnictwa n-regionu. Istnieje dokładnie takie samo prawdopodobieństwo tunelowania elektronu przewodnictwa z n-regionu do pasma wartościowości p-regionu. Ponieważ te prawdopodobieństwa są takie same, przepływy przeciwprądowe elektronów wykonujących połączenia tunelowe znoszą się nawzajem, a całkowity prąd tunelowy okazuje się równy zeru (I = = 0, ryc. 5.2, a). W dalszej dyskusji elementy te nie będą brane pod uwagę;
Ryc. 5.2. Diagramy energetyczne diody tunelowej o różnych napięciach polaryzacji i charakterystyce prądowo-napięciowej
b) jeśli do złącza pn zostanie przyłożone małe napięcie przewodzenia, wówczas poziomy energetyczne p-regionu zmniejszą się w stosunku do poziomów energii w obszarze n (ryc. 5.2, b). W tym przypadku poziomy niektórych elektronów przewodzących n-regionu będą umiejscowione w stosunku do wolnych poziomów w paśmie wartościowości p-regionu, co stwarza korzystne warunki dla ich połączenia tunelowego. Dlatego w złączu pn pojawi się prąd tunelowy, którego wielkość będzie zależeć od przesunięcia pasm energii, tj. Przyłożonego przesunięcia w kierunku do przodu (prąd tunelowy płynie z obszaru p do obszaru n w kierunku przeciwnym do ruchu elektronu);
c) ze wzrostem odchylenia w kierunku do przodu, prąd tunelowania będzie wzrastał aż poziom Fermi w obszarze n zbiega się z górnym poziomem pasma wartościowości p-regionu. W tym przypadku prąd tunelowania osiąga maksimum, ponieważ wszystkie wolne poziomy pasma walencyjnego p-regionu, które przekraczają poziom Fermiego, są usytuowane względem elektronów przewodnictwa n-regionu (ryc. 5.2, c);
d) z dalszym wzrostem odchylenia do przodu, niektóre poziomy elektronów przewodzących n-regionu znajdują się naprzeciwko pasma zabronionego p-regionu, a prąd w tunelu maleje (ryc. 5.2, d). W wyniku tego uzyskuje się wykres o ujemnej rezystancji na charakterystyce prądowo-napięciowej;
e) przy pewnej wartości napięcia stałego, pasmo przewodnictwa n-regionu i pasmo wartościowości p-obszaru zaczynają się rozchodzić, a prąd tunelowania zatrzymuje się (ryc. 5.2, d, e);
e) przy napięciu bezpośrednim w złączu pn, wraz z prądem tunelowania, pojawia się prąd dyfuzyjny, jak w konwencjonalnej diodzie (jest on przedstawiony linią przerywaną w charakterystyce prądowo-napięciowej). Gdy pasmo przewodnictwa n-regionu odbiega od pasma wartościowości p-obszaru (poczynając od punktu e), tylko prąd dyfuzyjny istnieje i dioda tunelowa w tym stanie jest podobna do normalnej diody połączonej w kierunku do przodu (Fig. 5.2, e, f);
g) przy odchyleniu wstecznym złącza pn diody tunelowej, pasmo wartościowości p-regionu zachodzi na dozwolone i niezapełnione poziomy pasma przewodnictwa w obszarze n. W tym przypadku powstają warunki względnie swobodnego przejścia tunelu elektronów walencyjnych regionu p do pasma przewodnictwa n-regionu. W rezultacie pojawia się znaczący prąd odwróconego tunelowania, którego wielkość bardzo silnie zależy od przesunięcia stref, to jest od wielkości napięcia wstecznego (rys. 5.2, g).
Ryc. 5.3. Charakterystyka prądowo-napięciowa diod tunelowych z galem germanu i arsenku
Na rys. 5.3 pokazuje dla porównania charakterystykę prądowo-napięciową diod tunelowych różnych materiałów półprzewodnikowych. Na rysunku widać, że diody arsenkowe galu mają najwyższy stosunek I1 / I2 i napięcie przełączania U n.
Z powyższego wynika, że dioda tunelowa nie ma kierunku blokowania. Obszarem roboczym charakterystyki prądowo-napięciowej diody tunelowej jest obszar vd(Rys.5.2 ), na której ma ujemny opór dynamiczny (różnicowy):
Rj = dU / dl< 0 (5.2)
Minimalna bezwzględna wartość tego oporu jest jednym z głównych parametrów diody tunelowej. Dla różnych typów diod ma wartość od jednostek do dziesiątek omów.
Inne główne parametry diod tunelowych to (Rys. 5.1 a):
Maksymalny prąd przewodzenia I 1w punkcie maksymalnej charakterystyki prądowo-napięciowej;
Minimalny prąd przewodzenia I 2w punkcie minimalnej charakterystyki prądowo-napięciowej;
Stosunek prądów w maksymalnych i minimalnych charakterystykach prądowo-napięciowych I 1 / I 2;
Negatywna przewodność różnicowa G na wykresie ABw punkcie maksymalnej pochodnej;
Napięcie przełączające Δ U n = U 3 -U 1,który określa możliwy skok napięcia na obciążeniu podczas działania diody tunelowej w obwodzie przełączającym;
Pojemność barierowa C (U 2)dioda, która jest zwykle mierzona przy minimalnym prądzie.
Pojemność przy maksymalnym prądzie wynosi C (Ui) 0,8C (U2).
Napięcia odpowiadające wartościom maksymalnym i minimalnym prądu U 1 i U 2,
Napięcie roztworu U 3,odpowiadający maksymalnemu prądowi na drugiej gałęzi wstępującej charakterystyki prądowo-napięciowej.
Rosnące napięcie przewodzenia monotonicznie zwiększa przepływ prądu. W diodzie tunelowej kwantowe tunelowanie elektronów powoduje odchylenie charakterystyki prądowo-napięciowej, a ze względu na wysoki stopień domieszkowania regionów p i n, napięcie przebicia spada do niemal zera. Efekt tunelowy pozwala elektronom pokonać barierę energetyczną w strefie przejściowej o szerokości 50-150 Å przy takich napięciach, gdy pasmo przewodnictwa w obszarze n ma równe poziomy energii z pasmem v regionu p. Gdy napięcie naprzód wzrasta dalej, poziom Fermi w obszarze n wznosi się w stosunku do p-obszaru, wpadając do strefy zabronionej p-regionu, a ponieważ tunelowanie nie może zmienić całkowitej energii elektronu, prawdopodobieństwo przejścia elektronu z regionu n do regionu p spada gwałtownie. W bezpośredniej części IVC powstaje sekcja, w której wzrostowi napięcia w przód towarzyszy spadek natężenia prądu. Ten obszar jest ujemny różnicowy oporności i jest używany do wzmacniania słabych sygnałów mikrofalowych.
Na początku lat dwudziestych XX wieku w Rosji Oleg Losev odkrył efekt cristadin w diodach z krystalicznego ZnO wyhodowanego hydrotermalnie z wodnego roztworu wodorotlenku cynku i potasu z cynku - efekt ujemnej różnicy oporności. Mechanizm występowania ujemnego oporu różnicowego w eksperymentach Loseva jest niejasny. Większość ekspertów sugeruje, że jest to spowodowane efektem tunelu w półprzewodniku, ale nie uzyskano jeszcze żadnych eksperymentalnych dowodów na to wyjaśnienie. Jednocześnie możliwym mechanizmem działania może być rozpad lawiny lub inne efekty fizyczne prowadzące do pojawienia się ujemnego oporu różnicowego. W tym przypadku, cristadin i dioda tunelowa są różnymi urządzeniami, a ich ujemna różnica oporu objawia się w różnych częściach IVC.
Dioda tunelowa została po raz pierwszy wyprodukowana na bazie Leo Esaki w 1957 roku, który w 1973 roku otrzymał nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za eksperymentalne odkrycie wpływu tunelowania elektronowego w tych diodach.
Diody tunelowe z GaAs, a także z
