Чем же объясняются такие замечательные свойства туннельного диода? Как уже подсказывает само название этого прибора, в основе его действия лежит хорошо известный а квантовой механике туннельный эффект . Чтобы понять сущность этого эффекта, рассмотрим простейший пример.
Если на некотором расстоянии от куска металла, назовем его катодом, расположить пластинку-анод (рис. 1) и присоединить их к батарее Б так, чтобы положительный полюс последней был подключен к аноду, а отрицательный к катоду, то во внешней цепи потечет электрический ток, который зарегистрирует включенный в цепь гальванометр Г. Это явление уже давно хорошо известно в физике и технике. Оно называется холодной или автоэлектронной эмиссией .
Рис. 1. Модель вакуумного диода с холодной эмиссией.
При комнатной температуре над поверхностью металла всегда имеется определенное количество свободных электронов, которые как бы «испаряются»из металла, образуя так называемое электронное облако. Эти электроны смогли «выйти» из металла только потому, что энергия их теплового движения оказалась больше энергии, обусловленной силами, удерживающими электрон в металле. Работа, которую электрон должен совершить, чтобы преодолеть эти силы, называется работой выхода . Для разных металлов величина работы выхода различна.
Внешнее электрическое поле между анодом и катодом уменьшает величину работы выхода; поэтому с ростом напряжения батареи при постоянном расстоянии между катодам и анодом ток во внешней цели возрастает.
Какой же должна быть напряженность поля, чтобы ток холодной эмиссии во внешней цепи достиг максимального значения? Очевидно, это может произойти при такой напряженности поля, когда работа выхода обратится в нуль. Физики подсчитали, что для вольфрама, например, эта напряженность поля E=U/t=200 000 000 в/см, т. е. если расстояние между анодом и катодом сделать равным 1 см, то батарея должна иметь напряжение 200 000 000 в. Если же расстояние сделать равным 1 мк (0,0001 см), то напряжение должно быть 20 000 в. Отсюда следует, что даже в последнем случае практическое осуществление подобного прибора весьма затруднительно.
Однако экспериментальная проверка доказала, что для вольфрамового катода достаточно большие токи удается получить уже при напряженности поля порядка 10 6 в/см, т. е. при расстоянии в 1 мк достаточно иметь батарею напряжением 100 в.
Столь сильные расхождения между первоначально предложенной теорией и опытом удалось объяснить с помощью туннельного эффекта. Дело в том, что силы, препятствующие выходу электрона из металла, образуют у его поверхности так называемый потенциальный барьер (рис. 2), для преодоления которого согласно классической теории электрон должен сначала «подняться» на него, затратив работу, равную работе выхода, а затем уже свободно перемещаться от катода к аноду. Согласно же квантовой механике электрону нет необходимости «подниматься» на барьер; при определенных условиях он может, не затрачивая энергии, пройти «сквозь» него, как через туннель.
Рис 2. Форма потенциального барьера у катода на рис. 1.: 1 - классический способ преодоления потенциального барьера, 2 - туннельный переход электрона.
Такой механизм «выхода» из металла связан с волновым представлением о движении электрона в твердом теле. Здесь имеется довольно близкая аналогия с прохождением света через непрозрачную (в обычном понимании) металлическую пластинку. Если пластинка достаточно тонка, то часть светового потока обязательно, пройдет через нее и может быть обнаружена по другую сторону пластинки. Точно так же и потенциальный барьер может оказаться достаточно «прозрачным» для электронов, «выходящих» с поверхности данного тела. Только в этом случае ширина барьера, которая определяет его «прозрачность», в очень сильной степени зависит от величины напряженности электрического поля.
В квантовой механике прозрачность барьера описывается математической функцией, которая показывает, какова вероятность туннельного перехода электрона, обладающего данной энергией. С ростом напряженности электрического поля вероятность туннельного перехода возрастает, и потенциальный барьер для электронов становится как бы «прозрачнее».
Туннельный эффект может также наблюдаться и между двумя полупроводниками. Например, критическая напряженность поля для германия, при которой появляется значительный туннельный ток, составляет примерно 10 5 в/см. Таким образом, для того чтобы сделать полупроводниковый прибор, работающий на этом принципе, достаточно эффективным при сравнительно низких напряжениях, необходимо обеспечить достаточно малое расстояние между соответствующими его электродами.
В отличие от рассмотренного выше примера с металлами, областью раздела между полупроводниковым «катодом» и «анодом» является не вакуум, а так называемый обедненный слой , который образуется на границе двух полупроводников с различными электрическими свойствами. Такое соединение полупроводников в физике называют p-n-переходом; он имеется у всех известных в настоящее время полупроводниковых диодов и транзисторов. Напомним, что буква р (от латинского слова positive - положительный) означает, что ток в данном полупроводнике переносится положительными зарядами (дырками), а буква п (от латинского слова negative - отрицательный) - отрицательными (электродами).
На границе раздела двух полупроводников с различным типом проводимости образуется очень тонкий слой, обедненный носителями тока; в нем нет ни дырок, ни электронов. Этот слой, грубо говоря, играет ту же роль, что и расстояние между анодом и катодом в рассмотренном выше примере. Но в отличие от этого примера в обедненном слое всегда имеется «собственная», внутренняя напряженность электрического поля, обусловленная наличием равновесной разности потенциалов между двумя областями полупроводника с различными типами проводимости. Это разность потенциалов как бы «удерживает» электроны с одной стороны р-п-перехода и дырки с другой стороны от их взаимного перемещения, которое неизбежно привело бы к возникновению тока во внешней цепи. Поэтому, когда к р-п-переходу не приложено внешнее напряжение, в нем устанавливается равновесное состояние, при котором ток во внешней цепи равен нулю.
Нарушить равновесное состояние р-п-перехода можно не только за счет подключения внешней батареи, но и с помощью любого вида облучения (светового, теплового или ядерного). При этом разность потенциалов между полупроводниками уменьшается и возникает встречный поток дырок и электронов, вызывающий появление тока во внешней цепи. На этом принципе, в частности, работают хорошо известные фотолюбителям фотоэкспонометры, в которых в зависимости от освещенности изменяется величина напряжения на р-n-переходе, отмечаемая милливольтметром во внешней цепи. Очевидно, что максимальное напряжение, которое может показать милливольтметр при (наибольшей освещенности, не может превышать равновесной разности потенциалов, обычно составляющей 0,1-0,7 в.
Равновесная разность потенциалов и ширина обедненного слоя зависят от концентрации дырок и электронов по обе стороны от границы раздела полупроводников типов р и п: чем больше концентрация, тем выше равновесная разность потенциалов и уже обедненный слой. Концентрация электронов и дырок определяется концентрацией, введенной в полупроводник в процессе изготовления р-n-перехода примеси. Для того чтобы полупроводник имел определенную проводимость (электронную или дырочную), в него вводят соответствующие примеси. Так, например, чтобы германий и кремний имели электронную проводимость, в, них вводят сурьму, мышьяк или фосфор. Элементы, сообщающие полупроводнику электронную проводимость, называются донорами . Для придания же полупроводнику дырочной проводимости обычно используют индий, галий, бор. Эти элементы называют акцепторами .
Наиболее распространенным способом изготовления р-n-переходов является метод вплавления. Сущность его сводится к тому, что на поверхность пластинки германия, например электронного типа, толщиной 0,1-0,5 мм наносится капля индия При температуре порядка 500-600° С происходит сплавление индия с германием, в результате которого на пластине германия образуется капля сплава индий-германий. При последующем охлаждении кристаллизующийся из расплава германий захватывает атомы индия и приобретает дырочную проводимость. На границе этого рекристаллизованного слоя типа р с исходным германием типа п образуется р-n-переход.
У обычных полупроводниковых диодов и транзисторов, широко используемых в современной электронной аппаратуре, концентрация электронов и дырок редко превышает 10 17 в 1 см 3 (обычно 10 14 -10 16 в 1 см 3). При этом равновесная разность потенциалов обычно составляет 0,2-0,3 в, а ширина обедненного слоя несколько микрон.
Как уже было отмечено раньше, для того чтобы в р-п-переходе мог наблюдаться туннельный эффект, необходимо обеспечить достаточно высокую напряженность электрического ноля на границе раздела двух полупроводников. Для этого нужно повысить равновесную разность потенциалов к сделать по возможности уже обедненный слой. Эти два требования можно удовлетворить одновременно, если повысить концентрацию электронов и дырок по обе стороны от границы раздела.
Поэтому в германиевых туннельных диодах концентрация электронов и дырок достигает 10 19 -10 20 в 1 см 3 . Такие полупроводники называются вырожденными, а их свойства становятся очень близки к металлам. Ширина обедненного слоя в таком р-n-переходе оказывается порядка 0,01 мк и, следовательно, только за счет равновесной разности потенциалов, которая в данном случае составляет 0,6-0,7 в, напряженность поля в р-п-переходе может достигать 5*10 5 -7*10 5 B/см. Через такой узкий р-n-переход даже без внешнего смещения должен протекать значительный туннельный ток!
Однако этого не произойдет, потому что в отличие от схемы на рис. 1 в р-n-переходе появится туннельный ток не только из области р а область п, но и направленный навстречу ему ток из области п в область р. Поскольку же эти токи равны, результирующий ток во внешней цепи будет равен нулю.
Такое равновесие будет иметь место до тех пор, пока мы каким-либо способом не «заставим» одну из составляющих токов уменьшиться по сравнению с другой. Это можно легко сделать с помощью батареи смещения. Если подключить батарею Б так, как это показано на рис. 3,а, т. е. положительным полюсом к области р, а отрицательным к области п, то поток электронов из п в р увеличится, а из р в п уменьшится. В итоге появится результирующий ток Iо, который будет направлен во внешней цепи справа налево. Такое включение батареи соответствует прямому смещению в р-n-переходе. Если же изменить полярность источника на обратную, как показано на рис. 3,б, то поток электронов из п в р уменьшится, а из р в п увеличится и результирующий ток изменит свое направление. Такое включение батареи соответствует обратному смещению в р-п-переходе.
Рис. 3. Модель p-n-перехода. а - прямое смещение; б - обратное смещение.
Рассмотренный нами полупроводниковый прибор получил название туннельного диода , поскольку по своей конструкции (два электрода) он совершенно аналогичен хорошо известным и широко используемым полупроводниковым диодам. Однако принцип действия этих двух приборов и их характеристики существенно различны.
В обычных полупроводниковых диодах и транзисторах электрон, для того чтобы попасть из области п в область р (и наоборот), должен «взбираться» на потенциальный барьер, затрачивая при этом значительную часть своей тепловой энергии, так как большая ширина обедненного слоя не позволяет ему проделать тот же путь за счет туннельного перехода. Поэтому в этих приборах прямой ток нарастает довольно вяло в интервале напряжений от 0 до 0,1-0,2 в, так как при комнатной температуре в полупроводнике оказывается слишком мало свободных электронов с энергией, достаточной Для преодоления потенциального барьера.
На рис. 4 для сравнения показаны вольт-амперные характеристики обычного полупроводникового (кривая /) и туннельного (кривая 2) диодов. В отличие от обычного у туннельного диода ток при небольших напряжениях в прямом и обратном направлениях возрастает очень резко. Это связано с тем, что согласно законам квантовой механики при туннельном переходе электрон нe расходует своей энергии и поэтому может совершать такие переходы даже при температуре, близкой к абсолютному нулю (-273С). При таких температурах обычные полупроводниковые диоды и транзисторы вообще не будут работать, так как основным фактором, заставляющим электроны в этих приборах перемещаться из одной области полупроводника в другую, является энергия теплового движения. Это обстоятельство и объясняет тот факт, что туннельные -диоды работают в гораздо более широком диапазоне температур, чем обычные полупроводниковые приборы.
Рис. 4. Вольт-амперные характеристики: 1 - обычного полупроводникового диода; 2 - туннельного диода.
Поскольку электронов, совершающих туннельный переход, в вырожденном полупроводнике очень много, величина тока при малых прямых и обратных смещениях зависит лишь от разности встречных потоков, интенсивность которых регулируется батареей смещения, выполняющей как бы роль клапана.
В отличие от тока при обратных смещениях туннельный ток в прямом направлении достигает некоторого максимального значения Iмакс при напряжении U 1 а затем начинает довольно резко убывать до некоторого минимального значения Iмин. Это связано с тем, что с ростом напряжения в прямом направлении уменьшается число электронов, способных совершить туннельный переход. При напряжении U 2 число этих электронов становится равным нулю и туннельный ток также должен был бы обратиться в нуль. Но, как следует из рис. 4, при напряжении U 2 ток достигает некоторого минимального значения Iмин, а затем начинает довольно резко возрастать. Восходящие ветви характеристик для обоих рассматриваемых диодов совпадут, когда напряжение достигнет значения U 2 . В этом нет ничего удивительного, потому что, начиная с этого напряжения, когда прекращается туннельный ток, механизм прохождения электронов через р-n-переход в обоих диодах становится одинаковым, так как он связан с тепловым «перебросом» электронов через потенциальный барьер. Эта причина отчасти объясняет наличие тока Iмин при напряжении U 2 .
В обратном направлении ток обычного диода чрезвычайно мал, так как высота потенциального барьера в этом случае оказывается больше равновесной и составляет единицы микроампер. В связи с этим его обратное сопротивление очень велико (порядка нескольких мегом). У туннельного же диода обратный ток с повышением напряжения резко возрастает и уже при напряжениях порядка десятых долей вольта может составлять несколько десятков миллиампер. Поэтому его сопротивление в обратном направлении составляет единицы ом.
Основное преимущество туннельного диода перед известными полупроводниковыми приборами заключается в его чрезвычайно высоком частотном пределе, до которого он может быть использован в различных радиотехнических схемах. Эта его особенность связана с механизмом прохождения электрона через узкий р-п-переход и объясняется следующими причинами. Туннельный переход электрона происходит практически мгновенно, со скоростью, близкой к скорости света (время перехода составляет 10 -13 -10 -14 сек).
Следующая причина, обусловливающая малую инерционность туннельного диода, связана с характером движения электрона в однородной области полупроводника после прохождения «сквозь» потенциальный барьер.
Рассмотрим это более подробно. В обычных полупроводниковых диодах электрон, покинувший полупроводник типа п, попадает в область полупроводника типа р, где он оказывается как бы «чужим» в окружении большого числа положительных зарядов - дырок. В физике такие электроны называют неосновными носителями заряда в отличие от основных носителей, каковыми являются дырки в области р или электроны в области п. Особенность движения неосновных носителей в полупроводниках заключается в том, что они перемещаются со скоростью диффузии, т. е. очень медленно. С этой же скоростью происходит и передача электрического сигнала. Классическим примером диффузионного движения может служить распространение краски в стакане воды. Хорошо известно, что требуется довольно большое время, чтобы молекулы краски под действием теплового движения равномерно распределились во всем объеме жидкости. Примерно по тем же законам происходит и распространение неосновных носителей в объеме полупроводника. Это обстоятельство является определяющим при оценке инерционности обычных полупроводниковых диодов и транзисторов. По этой причине наиболее высокочастотные диоды и транзисторы, в которых используется только диффузионный механизм передачи тока, могут работать до частот порядка нескольких десятков мегагерц.
Совершенно иначе обстоит дело в туннельном диоде. Здесь электрон, покидающий полупроводник типа n, попадает в область р как бы преобразованным в положительный заряд, т. е. дырку. Таким образом, все электроны, совершившие туннельный переход из области п в область р, становятся основными носителями и в области р.
Известно, что передача электрического сигнала с помощью основных для данного полупроводника носителей заряда происходит со скоростью света. Наиболее ярким подтверждением этого является прохождение тока через металлический проводник, в котором электроны, поступающие из батареи смещения, служат основными носителями. Поэтому туннельный диод является прибором практически безынерционным.
Как мы увидим дальше, частотный предел применимости туннельного диода ограничивается лишь наличием таких параметров, как емкость р-п-перехода и сопротивление потерь, обусловленное объемным сопротивлением материала и выводящих проводников.
Эти параметры присущи любому туннельному диоду, и поэтому создание более высокочастотных образцов сводится в основном к разработке наиболее совершенной конструкции и поискам соответствующих полупроводниковых материалов, использование которых позволило бы свести к минимуму емкость перехода и сопротивление потерь.
Следует отметить, что на характеристики диффузионного движения сильное влияние оказывает ядерное облучение. Поэтому параметры обычных диодов и транзисторов, в которых указанный механизм движения является определяющим их свойства, существенно изменяются уже при незначительных дозах радиации. Туннельные же диоды практически мало чувствительны к ядерному облучению.
Одной из разновидностей туннельного диода является обращенный диод, который имеет вольт-амперную характеристику, совпадающую с туннельным диодом
Высокая крутизна характеристики в обратном направлении позволяет использовать обращенные диоды для детектирования переменных сигналов напряжением в несколько милливольт. Детектировать столь малые напряжения с помощью обычных диодов практически невозможно, так как в указанном интервале напряжений кривизна их характеристики оказывается недостаточной для эффективного детектирования.
Туннельный диод, изобретенный Л. Эсаки (Нобелевская премия 1973г), представляет собой полупроводниковый диод на основе р-п перехода, у которого как р- область (анод А), так и п -область (катод С) выполнены из вырожденного (сильно легированного) полупроводника (рис. 2.1а), поэтому ОПЗ р-п перехода имеет весьма малую ширину ().
В результате потенциальный барьер в р-п переходе оказывается туннельно прозрачным как для электронов зоны проводимости п- области, так и для электронов валентной зоны р- области.
В
явлении туннелирования главную роль
играют основные носители.
Время туннелирования носителей через
потенциальный барьер не описывается
на привычном языке времени пролета (
,
где
−
ширина барьера,
−
скорость носителей); оно описывается с
помощью вероятности квантовомеханического
перехода в единицу времени и очень мало.
Поэтому туннельные диоды можно
использовать в диапазоне миллиметровых
волн (> 30 – 300ГГц).
При подаче напряжения на переход электроны могут туннелировать из валентной зоны в зону проводимости и наоборот. Для протекания туннельного тока необходимо выполнение следующих условий: 1) энергетические состояния на той стороне перехода, откуда туннелируют электроны, должны быть заполнены; 2) на другой стороне перехода энергетические состояния с той же энергией должны быть свободны; 3) высота и ширина потенциального барьера должны быть достаточно малыми, чтобы существовала заметная вероятность туннелирования; 4) должен выполняться закон сохранения квазиимпульса.
Туннельный диод является негатроном N -типа; его ВАХ представлена на рис. 2.1б.
Работа туннельного диода поясняется энергетическими диаграммами на рис. 2.2. В отличие от методики, принятой при анализе традиционных полупроводниковых приборов, здесь мы не будем использовать понятия квазичастиц - электронов проводимости и дырок в валентной зане, ограничившись рассмотрением поведения реальных электронов как в зоне проводимости, так и в валентной зоне.
Согласно 1) и 2) требованиям туннелировать через барьер могут лишь те электроны, энергии которых соответствуют разрешенные энергетические зоны с противоположной стороны барьера. Эти электроны помечены стрелками на рис.2.2.
Диаграмма 1 соответствует равновесному состоянию V = V 1 = 0. Потоки электронов слева и справа одинаковы, и ток через диод равен нулю: I 1 = 0 (точка 1 на рис. 2.1б).
Диаграмма
2 соответствует малому положительному
напряжению V
=
V
2 ,
не превышающему пикового напряжения
V
р
на рис. 2.1б. Как видно из диаграммы,
туннельный поток электронов слева
направо значительно снизился. Туннельный
поток электронов справа налево снизился
незначительно, так как большинство
электронов в зоне проводимости п-
области
имеют энергии, меньшие
.
В результате суммарный туннельный ток
возрастает с ростом напряжения (точка
2 на рис. 2.1б).
При
напряжении V
=
V
3
>
V
p
(диаграмма 3) туннельный поток электронов
слева направо практически перекрыт.
Справа налево туннелируют электроны,
энергия которых лежит в диапазон
.
Число этих электронов уменьшается с
ростом напряжения, поэтому суммарный
туннельный ток также уменьшается с
ростом напряжения, что соответствует
отрицательному дифференциальному
сопротивлению (точка 3 на рис.2.1б).
Диаграмма
4 соответствует достаточно большому
прямому напряжению V
=
V
4
>
V
p
,
когда туннельные потоки электронов
перекрыты (точка 4 на рис. 2.1б). Поток
электронов справа налево теперь
обусловлен только энергичными электронами
в п-
области
с энергиями
.
Механизм этого тока соответствует
механизму инжекции энергичных электронов
через барьер в обычном полупроводниковом
диоде. К этому потоку добавляется поток
электронов справа налево из валентной
зонып-
области
в незаполненные разрешенные состояния
валентной зоны р-
области
(на диаграмме 4 не показан). Механизм
этого тока соответствует механизму
инжекции энергичных дырок через барьер
из р-
области
в п-
область
в обычном полупроводниковом диоде.
Указанные токи образуют диффузионную
ветвь ВАХ. Диффузионный ток экспоненциально
возрастает с ростом прямого напряжения.
Таким образом, прямая ветвь ВАХ туннельного диода формируется из туннельной и диффузионной ветвей, показанных на рис. 2.1б штриховыми линиями. Туннельная ветвь формирует участок ОДС, диффузионная ветвь ВАХ монотонна.
Диаграмма 5 соответствует обратному напряжению V < 0. Как видно из диаграммы, туннельный поток электронов справа налево практически не зависит от напряжения, а поток электронов слева направо резко возрастает с ростом обратного напряжения (точка 5 на рис. 2.1б). Обратная ветвь ВАХ соответствует туннельному пробою с нулевым напряжением пробоя.
Процесс туннелирования может быть прямым и непрямым. При прямом туннелировании (рис. 2.3а) электроны могут туннелировать из окрестности минимума зоны проводимости в окрестность максимума валентной зоны без изменения квазиимпульса. Это выполняется для прямозонных полупроводников (например, GaAs, GaSb), у которых совпадают положения дна зоны проводимости и потолка валентной зоны в пространстве квазиимпульсов.
Непрямое туннелирование (рис. 2.3в) происходит, когда положения дна зоны проводимости и потолка валентной зоны в пространстве квазиимпульсов не совпадают. Для выполнении закона сохранения квазиимпульса в процессе туннелирования в этом случае должна принимать участие еще одна частица (фонон или примесный центр). Законы сохранения энергии и квазиимпульса при туннелировании с участием фононов формулируются следующим образом: сумма энергии фонона и начальной энергии электрона, туннелирующего из п - в р -область, равна конечной энергии электрона, протуннелировавшего в р -область; сумма начального квазиимпульса электрона и квазиимпульса фонона равна конечному квазиимпульсу протуннелировавшего электрона. В общем случае вероятность непрямого туннелирования гораздо меньше, чем вероятность прямого.
Туннельный диод - это специальный диод, характеристики которого отличаются от характеристик любого обычного диода или стабилитрона.
Как обычный диод, так и стабилитрон являются очень хорошими проводниками, имея прямое смещение, но ни один из них не проводит хорошо ток в состоянии обратного смещения (исключение составляет область пробоя). Но в материале туннельного диода имеются присадки в гораздо большем объеме, нежели в обычном диоде, а его P-N переход очень узкий. Туннельный диод в силу того, что имеет большое количество присадок и очень узкий P-N переход, исключительно хорошо проводит ток в обе стороны.
Потенциал, который необходим для того, чтобы заставить туннельный диод выступать в роли проводника, будь то в режиме прямого или обратного смещения, очень невелик, обычно этот потенциал находится в диапазоне милливольт. Именно поэтому туннельные диоды известны как приборы с низким сопротивлением. Они очень слабо противодействуют движению тока в цепи.
Самой уникальной особенностью туннельных диодов является их соотношение напряжение-ток, когда они имеют прямое смещение. Когда туннельный диод имеет прямое смещение (от точки А до точки В на графике) при увеличении напряжения, ток также растет до определенной величины. Как только это значение оказывается достигнутым, дальнейшее повышение напряжения при прямом смещении заставляет ток снижаться до минимального значения (от точки В до точки С). В области, которая находится на графике между максимальным и минимальным потоками тока, туннельный диод имеет отрицательное сопротивление. В этой области отрицательного сопротивления ток, идущий через туннельный диод, фактически снижается при повышении напряжения. Происходит прямо противоположное обычному соотношению напряжение ток. Однако, когда напряжение за точкой С повышается, то данный прибор демонстрирует обычное соотношение напряжения и тока.
В обычных условиях туннельные диоды работают в области своего отрицательного сопротивления. В данной области незначительное уменьшение напряжения включает этот прибор, а небольшое повышение - выключает его. В качестве такого своеобразного выключателя туннельный диод может использоваться либо как генератор, либо как высокоскоростной выключатель: специфическая особенность прибора, низкое сопротивление, позволяет почти мгновенно изменять внутреннее сопротивление. Туннельные диоды могут также использоваться в качестве усилителей, где изменения в подаваемом напряжении в сторону повышения, вызывают пропорционально более значительные изменения тока в цепи.
На рис. 5.1а приведена вольт-амперная характеристика туннельного диода. Особенность этой характеристики заключается в следующем. В области обратных напряжений обратный ток растет очень быстро с повышением напряжения, т. е. туннельный диод обладает весьма малым обратным дифференциальным сопротивлением. В области прямых напряжений с увеличением напряжения прямой ток сначала растет до пикового значения при напряжении в несколько десятков милливольт, а затем начинает уменьшаться (участок АВ, в пределах которого туннельный диод обладает отрицательной проводимостью. Ток спадает до минимального значения I2 при напряжении порядка нескольких сотен миливольт, в дальнейшем прямой ток вновь начинает увеличиваться с ростом напряжения.
Заштрихованная область вольт-амперной характеристики (рис.5.1 а) соответствует так называемому избыточному току туннельного диода. На этом участке ток туннельного диода определяется суммой двух токов: прямым туннельным током и током диффузии. Однако многочисленные экспериментальные исследования показали, что ток I 2 реального туннельного диода существенно больше тока I 2 идеализированного туннельного диода. Разность этих токов называют избыточным током. Установлено, что он в основном зависит от концентрации технологически неконтролируемых примесей и степени легирования исходного материала, но окончательно природа избыточного тока неясна.
Дифференциальная проводимость G при изменении смещения от 0 до U 3 дважды (в точках, соответствующих напряжениям U 1 и U 2) обращается в нуль, т. е. туннельный диод способен дважды разорвать внешнюю электрическую цепь, превращаясь из пассивного элемента в активный и наоборот. Это обстоятельство привело к широкому применению туннельных диодов в импульсной технике.
Ток, протекающий через туннельный диод, содержит пять составляющих:
Туннельный ток , обусловленный туннельным переходом электронов из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области;
Туннельный ток , обусловленный туннельным переходом электронов из зоны проводимости n-области в валентную зону р-области;
Дрейфовый ток неосновных носителей обеих областей через р-п переход I др;
Диффузионный ток основных носителей обеих областей через р-n переход I диф;
Так называемый избыточный ток, который можно рассматривать как частный случай тока - туннельного перехода носителей с использованием разрешенных (примесных или дислокационных) уровней в запрещенной зоне.
Таким образом, результирующий ток через переход
а)
б)
в)
Рис. 5.1. Характеристики туннельного диода: а), в) вольт-амперные; б) зависимость проводимости диода от напряжения
Подчеркнем различие между туннельными токами сквозь барьер и дрейфовым и диффузионным токами через барьер; в первом случае электроны переходят из валентной зоны одной области в зону проводимости другой области или в обратном направлении; во втором случае электроны (или дырки) переходят из зоны проводимости (валентной) одной области в ту же самую зону другой области. На рис. 5.1 в вольт-амперная характеристика туннельного диода представлена как зависимость суммы токов I n р, I p n и обычного диодного (диффузионного и дрейфового) тока от приложенного напряжения.
Теперь рассмотрим более подробно вольт-амперную характеристику туннельного диода по выделенным на ней отдельным точкам (а, б, в, г, д, е, ж, рис. 5.2):
а) при нулевом смещении электронам проводимости n-области противостоят валентные электроны р-области (рис. 5.2, а). Если все указанные уровни заполнены, то туннельные переходы невозможны. В действительности при комнатной температуре некоторая часть этих уровней освобождается за счет электронов, переброшенных на уровни, расположенные выше уровня Ферми. Поэтому существует определенная вероятность, что валентный электрон р-области, не меняя своей энергии, совершит туннельный переход и займет соответствующий уровень в зоне проводимости n-области. Существует точно такая же вероятность туннельного перехода электрона проводимости n-области в валентную зону p-области. Так как эти вероятности одинаковы, то встречные потоки электронов, совершающих туннельные переходы, взаимно компенсируются и суммарный туннельный ток оказывается равным нулю (I Т =0, рис. 5.2, а). При дальнейших рассуждениях эти составляющие учитываться не будут;
Рис. 5.2. Энергетические диаграммы туннельного диода при различных напряжениях смещения и его вольт-амперная характеристика
б) если к p-n-переходу приложить небольшое прямое напряжение, то энергетические уровни р-области понизятся относительно энергетических уровней n-области (рис. 5.2, б). В этом случае уровни некоторых электронов проводимости n-области расположатся против свободных уровней, находящихся в валентной зоне р-области, что создает благоприятные условия для их туннельного перехода. Поэтому в р-n-переходе появится туннельный ток, величина которого будет зависеть от смещения энергетических зон, т. е. от приложенного прямого смещения (туннельный ток протекает от р-области к n-области в направлении, противоположном движению электронов);
в) при увеличении прямого смещения туннельный ток будет увеличиваться до тех пор, пока не произойдет совмещение уровня Ферми n-области с верхним уровнем валентной зоны р-области. В этом случае туннельный ток достигает максимума, так как против уровней электронов проводимости n-области располагаются все свободные уровни валентной зоны р-области, превышающие уровень Ферми (рис. 5.2, в);
г) при дальнейшем увеличении прямого смещения некоторые уровни электронов проводимости n-области располагаются против запрещенной зоны р-области и туннельный ток уменьшается (рис. 5.2, г). В результате на вольт-амперной характеристике получается участок с отрицательным сопротивлением;
д) при некотором значении прямого напряжения зона проводимости n-области и валентная зона р-области начинают расходиться и туннельный ток прекращается (рис.5.2,д,е);
е) при прямом напряжении в р-n-переходе наряду с туннельным током появляется диффузионный ток, как у обычного диода (на вольт-амперной характеристике он показан штриховой линией). При расхождении зоны проводимости n-области с валентной зоной р-области (начиная с точки д) существует только диффузионный ток и туннельный диод при таком условии подобен обычному диоду, включенному в прямом направлении (рис.5.2, д, е);
ж) при обратном смещении р-n-перехода туннельного диода валентная зона р-области перекрывается с разрешенными и незаполненными уровнями зоны проводимости n-области. При этом возникают условия для относительно свободного туннельного прохождения валентных электронов р-области в зону проводимости n-области. В результате этого появляется значительный туннельный ток обратного направления, величина которого очень сильно зависит от смещения зон, т. е. от величины обратного напряжения (рис. 5.2, ж).
Рис. 5.3. Вольт-амперные характеристики германиевых и арсенидгаллиевых туннельных диодов
На рис. 5.3 приведены для сравнения вольтамперные характеристики туннельных диодов из различных полупроводниковых материалов. Из рисунка видно, что диоды из арсенида галлия обладают наибольшим отношением I 1 /I 2 и напряжением переключения U n .
Из вышесказанного следует, что туннельный диод не имеет запирающего направления. Рабочим участком вольт-амперной характеристики туннельного диода является участок в-д (рис.5.2), на котором он обладает отрицательным динамическим (дифференциальным) сопротивлением:
R i =dU/dI < 0 (5.2)
Минимальное абсолютное значение этого сопротивления является одним из основных параметров туннельного диода. Для различных типов диода оно имеет значение от единиц до десятков Ом.
Другими основными параметрами туннельных диодов являются (рис. 5.1 а ):
Максимальный прямой ток I 1 в точке максимума вольт-амперной характеристики;
Минимальный прямой ток I 2 в точке минимума вольт-амперной характеристики;
Отношение токов в максимуме и в минимуме вольтамперной характеристики I 1 /I 2 ;
Отрицательная дифференциальная проводимость G на участке АВ в точке максимума производной;
Напряжение переключения ΔU n = U 3 -U 1 , которое определяет возможный скачок напряжения на нагрузке при работе туннельного диода в схеме переключения;
Барьерная емкостьC(U 2) диода, которая обычно измеряется при минимуме тока.
Емкость в максимуме тока равна C(U 1) 0,8C(U 2).
Напряжения, соответствующие максимальному и минимальному значениям тока U 1 и U 2 ,
Напряжение раствора U 3 , соответствующее максимальному току на второй восходящей ветви вольт-амперной характеристики.
При увеличении прямого напряжения монотонно увеличивают пропускаемый ток. В туннельном диоде квантово-механическое туннелирование электронов добавляет прогиб в ВАХ , при этом из-за высокой степени легирования p- и n-областей напряжение пробоя уменьшается практически до нуля. Туннельный эффект позволяет электронам преодолеть энергетический барьер в зоне перехода с шириной 50-150 Å при таких напряжениях, когда зона проводимости в n-области имеет равные энергетические уровни с валентной зоной р-области. При дальнейшем увеличении прямого напряжения уровень Ферми n-области поднимается относительно р-области, попадая на запрещённую зону р-области, а поскольку туннелирование не может изменить полную энергию электрона , вероятность перехода электрона из n-области в p-область резко падает. Это создаёт на прямом участке ВАХ участок, где увеличение прямого напряжения сопровождается уменьшением силы тока. Данная область отрицательного дифференциального сопротивления и используется для усиления слабых сверхвысокочастотных сигналов.
В начале 1920-х годов в России Олег Лосев обнаружил кристадинный эффект в диодах из кристаллического ZnO, выращенного гидротермально из водного раствора гидроксида цинка и цинката калия - эффект отрицательного дифференциального сопротивления. Механизм возникновения отрицательного дифференциального сопротивления в опытах Лосева неясен. Большинство специалистов предполагают, что он вызван туннельным эффектом в полупроводнике, но прямых экспериментальных подтверждений этого объяснения пока не получено . В то же время, возможным механизмом эффекта может быть лавинный пробой или другие физические эффекты , приводящие к возникновению отрицательного дифференциального сопротивления. При этом кристадин и туннельный диод это разные устройства, и отрицательное дифференциальное сопротивление у них проявляется на разных участках ВАХ.
Впервые туннельный диод был изготовлен на основе в 1957 году Лео Эсаки , который в 1973 году получил Нобелевскую премию по физике за экспериментальное обнаружение эффекта туннелирования электронов в этих диодах.
Наибольшее распространение на практике получили туннельные диоды из , GaAs , а также из
