5.1.3 Тунельні та обернені діоди

                Тунельними називають діоди, які мають на прямій гілці своєї ВАХ ділянку з негативним диференційним опором унаслідок тунельного ефекту.

                Тунельний ефект полягає у тунельному проникненні електрона через р-n-перехід, тобто такому проникненні, коли електрон з ВЗ однієї області прямо потрапляє до ЗП іншої області. Це стає можливим, якщо товщина переходу дуже мала (менша 150 А) і якщо енергетичним рівням, заповненим електронами в одній області, відповідають такі самі вільні дозволені рівні в сусідній області. Ці умови в р-n-переходах з НП, які мають високу концентрацію домішок (). Товщина р-n-переходів у цьому випадку має порядок см, що зумовлює високу напруженість електричного поля переходу і забезпечує ймовірність тунельного ефекту. В таких НП атоми домішок внаслідок малої відстані взаємодіють між собою, і їх рівні розщеплюються в зони, які прилягають у НП р-типу до ВЗ, а в НП n-типу до ЗП. Такі напівпровідники називають виродженими, оскільки в них рівні Фермі розташовані в ЗП n-області і в ВЗ р-області.

               

Вигляд ВАХ тунельного діода можна пояснити за допомогою електричних діаграм (рисунок 5.3). На діаграмах рівні ВЗ та ЗП напівпровідників, що заповнені електронами, заштриховані.

                При зовнішній напрузі  (рисунок 5.5,а) рівень Фермі всієї системи однаковий  (). Напроти зайнятих електронами рівнів р-області розміщуються зайняті рівні n-області. Тунельний перехід електронів неможливий, струм дорівнює нулю.

Рисунок 5.3ВАХ тунельного діода та її утворення

 

                Під дією прямої  рівні Фермі зміщуються на величину  (рисунок 5.3,б), і напроти частини енергетичних рівнів, зайнятих електронами в n-області (подвійне штрихування), опиняться вільні рівні в р-області. Внаслідок цього відбувається тунельний перехід електронів з n-області до р-області й проходить прямий тунельний струм, величина якого пропорційна до площі перекриття вільних енергетичних рівнів ВЗ р-області й заповнених енергетичних рівнів ЗП n-області. Тунельний струм зростатиме доти, поки перекриття не стане максимальним (рисунок 5.3,в). Подальше зростання прямої напруги зменшує площу перекриття відповідних рівнів, і тунельний струм зменшується (рисунок 5.3,г). При певній прямій напрузі зайняті електронами енергетичні рівні ЗП n-області стануть напроти енергетичних рівнів ЗЗ р-області. Тунельний перехід електронів у цьому випадку стане неможливим і тунельний струм припиниться. В той самий час при прямих напругах у діоді відбувається, як правило, інжекція носіїв, що зумовлює проходження через нього дифузійного струму (рисунок 5.3,д,е), який при напрузі стає більшим, ніж тунельний струм.

                Якщо діод увімкнути у зворотному напрямі, то рівні Фермі зміщуються так, як показано на рисунку 5.3,ж, і з’являється можливість тунельного переходу електронів із заповнених рівнів ВЗ р-області на вільні рівні ЗП n-області. Це приводить до проходження через діод великого зворотного тунельного струму.

                Р-n-переходи тунельних діодів одержують здебільшого способом сплавлення з германію, арсеніду галію та антимоніду галію. Оскільки для виготовлення таких діодів використовують вироджені НП, які за характером провідності наближаються до металів, то робоча температура приладів досягає 400С.

                Недоліком тунельних діодів є мала потужність із причини низьких робочих напруг (десяті частки вольта) і малих площ переходу.

                За своїм призначенням тунельні діоди поділяються на підсилювальні (третій елемент позначення – 1), генераторні (2) та перемикальні (3).

                Приклади позначення тунельних діодів:

                АИ201Г – діод тунельний генераторний, широкого застосування , з арсеніду галію, номер розробки 01, група Г.

                ЗИ306Е – діод тунельний перемикальний, спеціального застосування , з арсеніду галію, номер розробки 06, група Б.

                Тунельні діоди дозволяють будувати підсилювачі, генератори, змішувачі у діапазоні хвиль аж до міліметрових. На тунельних діодах створюють і різноманітні імпульсні пристрої: тригери, мультивібратори з дуже малим часом перемикання.

                Частковим випадком тунельних діодів є обернені діоди, у яких внаслідок тунельного ефекту провідність при зворотних напругах значно більша, ніж при прямих. Р-n-переходи обернених діодів створюються напівпровідниками, що мають дещо меншу концентрацію домішок, і тому їх рівні Фермі збігаються з краями ЗП і ВЗ (рисунок 5.4,а). При вмиканні таких діодів у зворотному напрямі тунельні електрони з ВЗ р-області переходять на вільні рівні ЗП n-області, і через р-n-перехід тече великий зворотний струм. При прямому вмиканні діодів перекриття зон невідбувається, тунельний ефект не спостерігається, і прямий струм визначається лише дифузійним струмом. ВАХ оберненого діода показана на рисунку  5.4,б. Саме її форма дала назву даним діодам.

 

Рисунок 5.4Енергетична діаграма (а) та ВАХ (б) оберненого діода

 

                Третій елемент їх позначення – цифра 4. Мала інерційність унаслідок тунельного ефекту і велика крутизна характеристики зумовлюють використання обернених діодів у детекторах і змішувачах діапазону надвисоких частот.