Процессы в туннельном диоде
удобно рассматривать на энергетических
диаграммах, показывающих уровни энергии валентной зоны и зоны проводимости-
в n- и р-областях. Вследствие
возникновения контактной разности потенциалов в n-р-переходе границы всех зон в
одной из областей сдвинуты относительно соответствующих зон другой области на высоту
потенциального барьера,
выраженную в электрон-вольтах.
На рис.3.1-3.4 с помощью
энергетических диаграмм изображено возникновение туннельных токов в электронно-дырочном
переходе туннельного диода. Для
того чтобы не усложнять рассмотрение туннельного эффекта, диффузионный ток
и ток проводимости на этом рисунке не показаны. Диаграмма рис. 3.1 соответствует
отсутствию внешнего напряжения. Высота потенциального барьера взята
для примера 0,8 эВ, а ширина запрещенной зоны составляет 0,6 эВ.
U=0 B
n p
ЗП
0,8 эВ
iпр
iобр
0,6 эВ ЗЗ
ВЗ
Рис. 3.1 Диаграмма туннельного диода при отсутствии внешнего напряжения.
Горизонтальными линиями в зоне проводимости и в валентной зоне показаны
энергетические уровни, полностью или частично занятые электронами. В валентной зоне
и зоне проводимости изображены также незаштрихованные горизонтальными
линиями участки, которые соответствуют уровням энергии, не занятым электронами.
Как видно, в зоне проводимости полупроводника n-типа и в валентной
зоне полупроводника р-типа имеются занятые электронами уровни, соответствующие одинаковым энергиям. Поэтому может происходить туннельный переход
электронов из области n в область р (прямой туннельный
ток iпр) и из области р
в область n (обратный туннельный ток iобр). Эти два тока одинаковы по значению, и результирующий
ток равен нулю.
На рис. 3.2 показана диаграмма
при прямом напряжении 0,1 В, за счёт
которого высота потенциального барьера понизилась на 0,1 эВ и составляет
0,7 эВ. В этом случае туннельный переход электронов из области n в область р
усиливается, так как в области р имеются в валентной зоне свободные уровни,
соответствующие таким же энергиям, как энергии уровней, занятых электронами
в зоне проводимости области n. А переход электронов из валентной зоны области
р в область n невозможен, так как уровни, занятые электронами в валентной
зоне области р, соответствуют в области n энергетическим уровням запрещённой-
зоны. Обратный туннельный ток отсутствует, и результирующий туннельный
ток достигает максимума. В промежуточных случаях, например когда Uпр=0,05 В,
существуют и прямой и обратный туннельный токи, но обратный ток меньше
прямого. Результирующим будет прямой ток, но он меньше максимального,
получающегося при Uпр= 0,1 В.
Uпр=0,1 B
n p
ЗП
0,7 эВ
iпр
ВЗ
0,6 эВ ЗЗ
Рис. 3.2 Энергетическая диаграмма туннельного диода при Uпр=0,1 В
Случай, показанный на рис.
3.3 соответствует Uпр= 0,2 В, когда высота
потенциального барьера стала 0,6 эВ. При этом напряжении туннельный переход
невозможен, так как уровням, занятым электронами в данной области, соответствуют
в другой области энергетические уровни, находящиеся в запрещённой зоне.
Туннельный ток равен нулю. Он отсутствует также и при большем прямом
напряжении. Следует помнить, что
при возрастании
прямого напряжения увеличивается прямой
диффузионный ток диода. При рассмотрен-
ных значениях Uпр=0,2 В диффузионный ток
гораздо меньше туннельного тока, а при
Uпр>0,2 В диффузионный
ток возрастает и
достигает значений, характерных для прямо
го тока обычного диода.
Uпр=0,2 B
n p
ЗП
0,6 эВ
0,6 эВ ЗЗ ВЗ
Рис. 3.3 Энергетическая диаграмма туннельного диода при Uпр=0,2 В
На рис. 3.4 рассмотрен случай,
когда обратное напряжение Uобр=0,2 В.
Высота потенциального барьера стала 1 эВ, и значительно увеличилось число
уровней, занятых электронами в валентной зоне р-области и соответствуют их
свободным уровням в зоне проводимости n-области. Поэтому резко возрастает
обратный туннельный ток, который получается такого же порядка, как и ток
при прямом напряжении.
Вольт-амперная характеристика туннельного диода
(рис. 3.5) поясняет рас-
смотренные диаграммы. Как видно, при U=0 ток равен нулю. Увеличение
прямого напряжения до 0,1 В дает возрастание прямого туннельного тока до
максимума (точка А). Дальнейшее увеличение прямого напряжения до 0,2 В
сопровождается уменьшением туннельного тока. Поэтому в точке Б получается
минимум тока и характеристика имеет падающий участок АБ, для которого
характерно отрицательное сопротивление переменному току:
(3.1)
Uобр=0,2 B
n p
ЗП
1 эВ
iобр
ВЗ
0,6 эВ ЗЗ
Рис. 3.4 Энергетическая диаграмма туннельного диода при Uобр=0,2 В.
iпр, мА
4 _ А
3 _
2 _
1 _
Б
Uобр
-0,1 0,1 0,2 0,3 0,4 Uпр
iпр, мА
Рис. 3.5 Вольт-амперная характеристика туннельного диода.
После этого участка ток
снова возрастает за счет прямого диффузионного
тока. Обратный
ток получается такой же, как прямой, т. е. вo много
раз больше, нежели
у обычных диодов.
Туннельны диоды могут примкнятся в технике СВЧ, а также во многих импульсных радиоэлектронных устройствах, рассчитанных на высокое быстродействие. Помимо весьма малой инерционности достоинством туннельных диодов является их стойкость к ионизирующему излучению. Малое потребление энерги от источника питания также во многих случаях следует считать достоинством туннельных диодов. К сожелению, эксплутация этих диодов выявила существенный их недостаток. Он заключается в том, что эти иоды подвержены значительному старению, то есть с течением времени их характеристики и параметры заметно изменяются, что может привести к нарушению нормальной работы того или иного устройства.
Все туннельные диоды имеют весьма малые размеры. Например, они могут быть оформлены в целиндрических герметичных малостеклянных корпусах диаметром 3 – 4 мм и высотой около 2 мм. Выводы у них гибкие ленточные. Масса не превышает 0,15 г.
ЛИТЕРАТУРА
1. И.В. Боднарь, Л.Г. Березуцкий «Методическое пособие к лабораторным работам по курсу ФХОМКиТ РЭС и ЭВС». Мн.; БГУИР, 1997 г.
2. И.В. Боднарь, Л.Г. Березуцкий «Методическое пособие для самостоятельной работы студентов по курсу ФХОМКиТ РЭС и ЭВС. Раздел «Контактные явления»». Мн.; БГУИР, 1998 г.
3. Г.И. Епифанов, Ю.А. Мома «Физические основы конструирования и технологии РЭА и ЭВА». М.; «Советское радио», 1979 г.
4. И.П. Жеребцов «Основы электроники». Ленинград, «Энергоатомиздат», 1985 г.
5. В.В. Новиков «Теоретические основы микроэлектроники». М.; «Высшая школа», 1972 г.
6. К.В. Шалимова «Физика полупроводников». М.; «Энергия», 1976 г.
7. Под редакцией Г.Г. Шишкина «Электронные приборы». М.; «Энергоатомиздат», 1989 г.
8. А.А. Штернов «Физические основы конструирования, технологии РЭА и микроэлектроники». М.; «Радио и связь», 1981 г.
