Физические принципы работы туннельного диода

В 1957 г. японский физик Лео Эсаки (L.Esaki) разработал туннельные диоды (диоды Эсаки) с переходами шириной всего лишь в десять нм (тридцать атомов). В 1973 г. Лео Эсаки совместно с Айвором Джайевером и Брайаном Д. Джозефсоном получил Нобелевскую премию по физике за открытия туннельных явлений в полупроводниках и сверхпроводниках. Туннельные диоды изготовляют на основе вырожденных полупроводников (с концентрацией примесей до 10²⁵-10²⁷ м^-1). При этом получается резкий р- n-переход (см. работу 16) с толщиной запирающего слоя 5-15 нм. При изготовлении туннельных диодов обычно применяют Ge и GaAs; реже используют Si, InSb. InAs, PbTe, GIISb, SiC и другие полупроводниковые материалы. Для германиевых диодов в качестве донорных примесей, как правило, используют P или As, в качестве акцепторных − Ga и Al; для арсенид-галлиевых − Sn, РЬ, S. Se, Те (доноры), Zn, Cd (акцепторы). Узкий р- n-переход получают чаще всего методом вплавления. Туннельные диоды используются для усиления и генерирования электрических колебаний в широком диапазоне частот с высокой спектральной частотой (рис. 17.1) [27,28].

а б	Рис. 17.1. Туннельный диод АИ-101Б (а) и условно-графическое обозначение туннельного диода на электрических схемах (б)

В туннельном диоде материал должен быть сильно легированным, чтобы уровень Ферми n -области находился в зоне проводимости, а уровень Ферми
р-области – в валентной зоне (рис. 17.2а). При таком легировании с концентрацией примеси 10¹⁹ – 10²⁰ см^-3 примесные состояния перестают быть изолированными в кристалле. Они начинают перекрываться с зоной проводимости или валентной зоной: уровень Ферми при этом смещаетсяв одну из зон и газ носителей заряда в этой зоне становится вырожденным. Это приводит не только к очень малой ширине р-n-перехода (~1 нм), но и к очень важному изменению вольтамперной характеристики диода. Обедненный слой становится настолько тонким, что туннелирование электронов происходит даже при очень небольших смещениях.

Рис. 17.2. Зонные схемы и положение уровня Ферми при нулевом смещении (а) и при подключении p - n-перехода туннельного диода к источнику внешнего напряжения: б – обратное смещение; в – небольшое прямое смещение; г – большое прямое смещение (из [7]). Вследствие сильного легирования уровень Ферми не находится в запрещенной зоне.

Рассмотрим сначала случай обратного смещения (рис. 17.2б). Если к туннельному диоду приложить обратное напряжение, то электроны из
р-области (с энергиями в верхней части валентной зоны, т.е. электроны, образующие ковалентные связи), непосредственно окажутся (и физически, и по энергии) напротив вакантных состоянии n -области, и через переход потечет туннельный ток. Таким образом, в этом случае диод действует как обычный проводник. Подобный эффект имеет место при туннельном пробое в стабилитроне (см. работу 16).

    Если же к туннельному диоду приложить небольшое прямое напряжение (рис. 17.2в), то он будет вести себя как проводник вплоть до некоторого критического напряжения, при котором энергия дна зоны проводимости
n-области сравняется с потолком валентной зоны р-области. При этом туннельный эффект прекращается, поскольку для электронов зоны проводимости не оказывается разрешенных энергетических состояний по другую сторону перехода. При прямом напряжении, превышающем напряжение отсечки туннельного тока (рис. 17.2г), проводимость, как и в обычном диоде, целиком обеспечивается тепловым возбуждением электронов. Результирующая вольтамперная характеристика туннельного диода определяется комбинацией туннельных и тепловых свойств (рис. 17.3) и имеет довольно необычный вид. В той части характеристики, в которой туннелирование заменяется током, обусловленным тепловым возбуждением электронов, с ростом смещения происходит резкое уменьшение тока.

Рис. 17.3. Схематичное изображение ВАХ туннельного диода

Если прямое напряжение на диоде соответствует максимуму туннельного тока, то диод можно использовать в качестве быстродействующего триггера. В этих условиях даже очень слабый импульс тока через диод будет вызывать мгновенное изменение напряжения на диоде от значения  до . Очень высокая скорость, с которой в случае туннельных диодов происходит скачок напряжения (время переключения ~1 нс), обусловлена главным образом чрезвычайно малой шириной р- n -перехода.

Вольтамперные характеристики (ВАХ) типичных туннельных диодов при прямом смещении приведены на рисунке 17.4, 17.5.

Рис. 17.4. Туннельный диод 1И104: а) вольтамперная характеристика при прямом смещении; б) конструкция туннельного диода

Рис. 17.5. Температурные зависимости прямого тока от напряжения в туннельных диодах: а) германиевый диод 1И403; б) арсенид-галлиевый диод 3И202

На рис. 17.5 приведены температурные зависимости прямого тока от напряжения в туннельных диодах, изготовленных из германия и арсенида галлия. Видно, что у диода с более широкозонным материалом GaAs, чем Ge, минимум тока наблюдается при больших значениях прямого напряжения.

Отметим, что туннельный диод имеет высокие значения максимальной граничной частоты f_max ~ 10⁹ Гц, поскольку времена процессов при туннелировании составляют наносекунды, то есть τ_min ~ 10^-9 c. По этой причине туннельные диоды используются в СВЧ-технике.