2.1.3. Туннельный диод

Туннельный диод отличается от других типов диодов тем, что полупроводник, идущий на его изготовление, имеет высокое содержание присадки – до 510¹⁹ атомов на см³ основного вещества. У таких материалов уровень Ферми в полупроводниках n-типа смещается в зону проводимости, а в полупроводниках р-типа – в валентную зону. Полупроводник при такой концентрации примеси вырождается в полуметалл. При образовании p-n-перехода энергетические уровни смещаются на величину, превышающую ширину запрещенной зоны, как это изображено на рис. 2.5. Ширина p-n-перехода из-за высокой концентрации примесей мала.

Как видно из рис. 2.5, расположение энергетических зон таково, что электрон может перейти по туннелю, указанному пунктиром, из зоны проводимости п-полупроводника в валентную зону р-полупроводника без изменения энергии.

Т ок электронов из зоны проводимости п-полупроводника в валентную зону р-полупроводника называется прямым туннельным током. Ток электронов из валентной зоны р-полупроводника в зону проводимости п-полупроводника называется обратным туннельным током. При отсутствии внешнего напряжения прямой и обратный туннельные токи равны друг другу. Если к переходу приложить внешнее напряжение, то равновесие на p-n-переходе нарушится. При прямой полярности прямой туннельный ток возрастает, достигнет максимальной величины, после чего снижается до нуля, а обратный ток плавно снижается до нуля. Объясняется это графиком распределения носителей в зонах (рис. 2.6) и тем, что с увеличением прямого напряжения происходит уменьшение перепада зон на переходе. Поэтому при некотором прямом напряжении максимум концентрации электронов в зоне проводимости оказывается против максимума концентрации дырок в валентной зоне, что определяет максимальный прямой туннельный ток (рис. 2.27). При этом обратный ток снижается, так как в ВЗ с увеличением концентрации дырок уменьшается концентрация электронов, а в ЗП с увеличением концентрации электронов уменьшается концентрация дырок, а обратный ток – это движение электронов из р-области в n-область. При некотором прямом напряжении зоны выравниваются настолько, что туннель исчезает, а, следовательно, исчезает и туннельный ток.

Если приложить обратное напряжение, то искажение зон на переходе увеличивается и максимум концентрации электронов в ЗП и дырок в ВЗ оказывается против уровней, которые заняты, поэтому прямой туннельный ток будет снижаться, а обратный ток расти, так как в глубине ВЗ много свободных уровней (дырок). ВАХ туннельного диода может быть построена как сумма токов туннельного (прямого и обратного) диффузионного и дрейфового (рис. 2.8).

Вольтамперная характеристика для прямого и обратного туннельного токов представлены на рис. 2.7, а общая характеристика – на рис. 2.8.

Как видно из ВАХ, туннельный диод имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, что дает возможность использовать его в усилительных, генераторных и импульсных устройствах, а благодаря тому, что время перехода носителей по туннелю происходит очень быстро, туннельные диоды могут работать на высоких частотах (ГГц), а в импульсных схемах формировать крутые фронты. Кроме того, эти диоды могут работать при температурах до 400С, т.к. из-за высокой концентрации примесей их характеристики и параметры менее чувствительны к изменению температуры.

Основной характеристикой туннельного диода является ВАХ, приведенная на рис. 2.9. Основные параметры:

– пиковый ток – I_п;

– отношение пикового тока к току впадины – I_п /I_в;

– напряжение пика – U_п;

– напряжение впадины – U_в.

Разновидностью туннельных диодов является обращенный диод. В обращенных диодах нет участка и отрицательным сопротивлением, а имеется участок, на котором ток практически не изменяется (рис. 2.10). Получается, что прямое напряжение больше, чем обратное, а прямой ток меньше, чем обратный, в связи с чем они и получили название обращенных диодов. Такие диоды используются для выпрямления напряжения малой величины по амплитуде (менее одного вольта), т.к. при таких малых амплитудах обычный выпрямительный диод теряет свои вентильные свойства.

Существует большое количество схем включения туннельных диодов в усилительных, генераторных и импульсных режимах работы. Приведем пример включения туннельного диода в пороговых устройствах типа «триггер». Схема включения, ВАХ и нагрузочная прямая представлены на рис. 1.11 и рис. 1.12.

Уравнение нагрузочной прямой с учетом второго закона Кирхгофа имеет следующий вид

.

Нагрузочная прямая, представляющая собой графическое отображение уравнения, строится по двум точкам.

1. Точка холостого хода (т.х.х). Принимаем = 0, тогда .

2. Точка короткого замыкания (т.к.з.). Принимаем = 0, тогда .

Проводим прямую через эти две точки, при этом задаем и такими, чтобы нагрузочная прямая пересекала участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением так, как показано на рис. 2.12. Несложно показать, что точка С является неустойчивой, т.е. в данной схеме не может установиться ток и напряжение, соответствующее этой точке. Действительно, любое незначительное отклонение тока (напряжения) в точке С приводит к тому, что в схеме устанавливается ток и напряжение, соответствующие точкам А или В, которые являются устойчивыми. Предположим, что в схеме установилось напряжение , соответствующее точке А. Если теперь подавать на вход плавно увеличивающееся напряжение (положительное), то по цепи U_вх  R₂  T_д ток туннельного диода будет возрастать и как только достигнет значения I_п схема скачком перейдет в состояние, соответствующее точке В, а на выходе установится напряжение U_вых2. Если теперь плавно уменьшить U_вх, то ток туннельного диода начнет уменьшаться, и как только достигнет значения I_В, схема скачком перейдет в состояние, соответствующее точке А (рис. 2.13). Следовательно, при некотором пороговом напряжении (порог срабатывания) на выходе устанавливается высокий уровень, а при пороге отпуска – низкий уровень, что позволяет использовать данную схему для формирования прямоугольных импульсов с крутыми фронтами или как пороговое устройство.

Если подавать на вход разнополярные короткие импульсы (рис. 2.14), то можно такую схему использовать для хранения одного бита информации (низкий уровень – это 0, а высокий – 1), т.е. использовать такую схему как элемент памяти.