Туннельные диоды

Туннельный диод представляет собой сильно легированный p-n переход, в котором концентрация доноров и акцепторов достигает 10¹⁹–10²⁰ см⁻³. В результате этого резко сужается область пространственного заряда, а потенциал барьера на p-n переходе становится крайне малым, порядка десятков милливольт. Такое устройство обеспечивает возможность квантового туннелирования носителей через потенциальный барьер.

В туннельных диодах перенос заряда осуществляется не только классическим дрейфом и диффузией, но и через квантовый эффект туннелирования. На энергетической диаграмме это проявляется как наложение зон проводимости n-области и валентной зоны p-области. Электроны могут мгновенно переходить через барьер, минуя классическую область запрещенной энергии.

Вырожденная проводимость и туннельный ток

Высокая концентрация легирующих примесей приводит к вырождению электронного газа в n-области и дырочного газа в p-области. При этом уровни Ферми смещаются в зоны проводимости и валентной зоны соответственно, что создает условие для туннелирования:

В прямом включении: электроны из вырожденной зоны проводимости n-области туннелируют в свободные состояния валентной зоны p-области.
При обратном смещении: возникает туннельный ток, направленный в противоположную сторону, что делает диод симметричным по туннельной характеристике в малых диапазонах напряжения.

Туннельный ток зависит экспоненциально от толщины барьера и от плотности состояний на границах зон, что делает его крайне чувствительным к легированию и температуре.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода

Особенностью туннельного диода является область отрицательного дифференциального сопротивления (ОДДС). Основные этапы ВАХ:

Область линейного увеличения тока при малых прямых напряжениях. Здесь туннельный ток начинает расти с ростом приложенного напряжения.
Пик туннельного тока достигается, когда максимальное наложение энергетических зон обеспечивает наибольшую плотность состояний для туннелирования.
Область отрицательного дифференциального сопротивления: при дальнейшем увеличении напряжения наложение зон уменьшается, туннельный ток падает.
Область инжекционного тока: при больших напряжениях классический диффузионный ток начинает преобладать, ВАХ снова возрастает.

ОДДС делает туннельный диод уникальным элементом для генерации высокочастотных колебаний и в схемах переключения.

Температурная зависимость и стабилизация характеристик

Туннельный ток практически не зависит от температуры, поскольку процесс туннелирования определяется квантовой вероятностью перехода через барьер, а не тепловой активацией. Однако классический диффузионный компонент тока возрастает с температурой, что смещает точку минимального дифференциального сопротивления и увеличивает общий ток диода.

Благодаря этому туннельные диоды обладают высокой температурной стабильностью в диапазоне низких напряжений, что делает их предпочтительными для микроволновых и быстрых коммутационных схем.

Применение туннельных диодов

Основные области применения:

Генераторы высокочастотных сигналов: благодаря области отрицательного дифференциального сопротивления возможно построение устойчивых генераторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазона.
Схемы переключения и логики: туннельные диоды используются для создания сверхбыстрых логических элементов, где время переключения ограничено лишь временем туннелирования.
Детекторы радиосигналов: высокий отклик на малые сигналы позволяет использовать диоды в микроволновых радиоприемниках.

Особенности конструкции и легирования

Для получения выраженного туннельного эффекта необходимо строгое соблюдение технологии легирования:

Используются доноры и акцепторы с концентрацией, близкой к пределу растворимости в полупроводнике.
Толщина перехода контролируется на наноуровне, обычно составляет десятки нанометров, что обеспечивает необходимый потенциал барьера.
Применение материалов с высокой подвижностью носителей, таких как GaAs, позволяет повысить частотные характеристики диода.

Эти параметры определяют интенсивность туннельного тока и ширину области отрицательного дифференциального сопротивления, что критично для проектирования высокочастотных схем.