3.7.      Туннельные диоды

Туннельным диодом называют полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на ВАХ при прямом напряжении участка отрицательной дифференциальной проводимости.

Туннельный диод представляет собой прибор с резким р-п-переходом, изготовленным из материалов с высокой концентрацией примеси, более 1019 см -3. При этом один атом примеси приходится всего на 100 – 1000 атомов самого полупроводника. Толщина р-n-перехода при та­кой концентрации на два порядка меньше, чем у обычных диодов, и составляет менее 10 нм.

Для туннельных диодов используются вырожденные полупроводники, в которых уровень Ферми нахо­дится не в запрещенной зоне, а в зоне проводимости для n-области и в валентной зоне для р-области. На энергетической диаграмме р-n-перехода туннельного диода в равновесном состоянии видно, что имеется перекрытие зоны проводимости n-области и валентной зоны p-области (рис. 3.9, а) по горизонтали.

При обратном направлении для р-п-перехода диод обладает высокой проводимостью, т.е. он не обладает характеристикой запирания. Из зонной диаграммы (рис. 3.9, 6) вид­но, что уровень Ферми в р-области повышается на величину обрат­ного напряжения и заполненные электронами состояния валентной зоны р-области оказываются расположенными против свободных состояний зоны проводимости n-области. За счет туннельных переходов электронов из р- в n-область ток возрастает, причем чем больше обратное напряжение, тем значительней перекрытие зон и тем больше обратный ток.

При прямом направлении для р-n-пе­рехода, когда заполненные уровни зоны проводимости n-области оказываются против пустых уровней валентной зоны, преобладает переход электронов из зоны проводимости, т.е. из n- в р-область (рис. 3.9, в). С ростом прямого напряжения число таких перехо­дов растет.

При некотором напряжении, когда полоса состояний шириной  полностью перекрывается с полосой состояний  в валентной зоне, из n- в р-область переходит максимальное коли­чество электронов. На ВАХ (рис. 3.10, а) это соответствует макси­муму прямого туннельного тока на ветви токов IП .

Дальнейшее увеличение прямого напряжения приведет к уменьшению тока (па­дающий участок II ВАХ), так что число занятых состояний в зоне проводимости n-области, лежащих против свободных состояний в валентной зоне р-области, становится меньше. Наконец, при пря­мом напряжении, когда , исчезает перекрытие зон, тун­нельные переходы невозможны и ток достигает минимума IВ (рис. 3.10, а). При напряжениях, больших , через р-n-переход протекает обычный диффузионный ток, связанный с инжекцией основных носителей заряда через потенциальный барьер.

Основное преимущество туннельных диодов связано с отсутствием инжекции неосновных носителей и, следовательно, с отсутствием относительно большой диффузионной емкости p-n-перехода.

Рассмотрим частотные свойства туннельного диода на примере (рис. 3.10, б) эквивалентной схемы туннельного диода для ма­лого сигнала на участке отрицательного дифференциального со­противления. Она включает барьерную емкость р-n-перехода Сбар, отрицательное дифференциальное сопротивление R-, сопро­тивление растекания кристалла (сопротивление базы rБ ), индук­тивность выводов L и емкость корпуса Скор. Параметры эквива­лентной схемы влияют на быстродействие туннельного диода.

Туннельный эффект – практически безынерционное явление, и по­этому быстродействие лимитируется в основном значениями Сбар, rБ и L. Необходимо ограничивать паразитную индуктивность корпу­са и соединительных выводов. Поэтому обычно применяет­ся лепестковая конструкция диода, имеющая низкую собственную индуктивность до единиц наногенри. Туннельный диод предназначен для работы в диапазоне сверх высоких час