Главная | Обратная связь

Туннельные и обращённые диоды

Туннельный диод представляет собой полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперной характеристике при прямом напряжении участка отрицательной дифференциальной проводимости (отрицательного дифференциального сопротивления).

Сущность туннельного эффекта состоит в том, что электрон, обладающий энергией меньшей, чем высота потенциального барьера, может проникнуть через этот барьер без затрат энергии.

Теннельный эффект – это явление квантовой природы, не имеющее аналога в классической механике. Оно связано с тем, что квантовые частицы имеют двойственную природу. Их можно представить и как корпускулу, и как волну. Длина волны, кторую излучает электрон, соизмерима с шириной потенциального барьера (р-n перехода) туннельного диода. Это обуславливает прохождение электрона, как волнового процесса, сквозь потенциальный барьер.

Для появления туннельного эффекта необходимо выполнение двух условий:

р-n переход должен быть достаточно узким (порядка 10^{-6 см, тогда как р-}n переход у обычных диодов имеет ширину 10^{-4 см);}

энергетическим уровням, заполненным электронами в одной области должны соответствовать свободные уровни в соседней области.

Эти условия выполняются в р-n переходах, образованных полупроводниками с очень высокой концентрацией примесей 10¹⁹ … 10²¹ см^-3 ( у обычных диодов 10¹⁷ … 10¹⁹ см^-3 ), которые называют вырожденными полупроводниками.

Процессы в туннельном диоде удобно рассматривать с помощью энергетических диаграмм. Известно, что высокая концентрация примеси в вырожденном полупроводнике приводит к тому, что уровень Ферми в области n (W_фп) лежит выше дна зоны проводимости, а в области р уровень Ферми (W_фп)находится ниже потолка валентной зоны. При образовании р-n перехода в отсутствии внешнего напряжения происходит смещение энергетических зон полупроводников в такой мере, что уровень Ферми для всей системы становится единым, причем нижняя граница зоны проводимости области n располагаются ниже верхней границы валентной зоны области р (рис. 3.11а).

Рис. 3.11

Для простоты рассуждений будем считать, что энергетические уровни, расположенные ниже уровня Ферми, заняты, а расположены выше него свободны ( уровни, занятые электронами на рис. 3.11а, б, в, г, д,е,ж).

В равновесном состоянии, при отсутствии внешнего напряжения, против занятых электронами уровней р-области располагаются занятые уровни n-области. Туннельный переход невозможен и туннельный ток равен нулю (рис. 3.11а).

При подаче на р-n переход небольшого прямого напряжения энергетические уровни области р сместятся вниз относительно энергетических уровней области n на величину W=qU_пр (рис. 3.11б), в результате часть энергетических уровней, занятых электронами в области n располагаются против свободных уровней в валентной зоне области р. Происходит туннельный переход электронов из области n в область р, через р-n переход потечет туннельный ток, величина которого зависит от взаимного смещения энергетических зон, т.е. от величины приложенного прямого напряжения.

При увеличении прямого напряжения туннельный ток будет увеличиваться до тех пор, пока не произойдет совмещение уровня Ферми области n с верхним уровнем валентной зоны области р, т.е. когда против всех занятых уровней области n окажутся расположены все свободные уровни области р (рис. 3.11в). Туннельный ток достигает своего максимального значения.

Пи дальнейшем увеличении прямого напряжения некоторые уровни электронов проводимости области n располагаются против запретной зоны области р, в результате туннельный ток уменьшается (рис. 3.11г) и на вольт-амперной характеристике появляется спадающий участок с отрицательной дифференциальной проводимостью (отрицательным дифференциалом сопротивлением).

При некотором значении прямого напряжения порядка U_пр 150 мВ против занятых уровней зоны проводимости оказывается расположенной запрещённая зона области р.туннельный ток при этом случае прекращается (рис. 3.11д). Однако при таком прямом напряжении потенциальный барьер р-n перехода снижается настолько, что через него протекает заметной величины обычный диффузионный ток, поэтому результирующий прямой ток и не равен нулю. Этот ток увеличивается в дальнейшем с увеличением прямого напряжения как и обычных диодов.

При обратном включении р-n перехода энергетические уровни смещаются вверх относительно энергетических уровней области n. При этом резко возрастает туннельный переход валентных электронов области р в зону проводимости области n. В результате резко увеличивается обратный туннельный ток, величина которого зависит от величины обратного напряжения (туннельный пробой) (рис. 3.11ж).

Основным рабочим участком вольт-амперной характеристики туннельного диода является участок в…d, на котором диод обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением.

 

 

Рис. 3.12

Основными электрическими параметрами туннельного диода являются (рис. 3.12):

пиковый ток I_n – прямой ток в точке максимума вольт- амперной характеристики;

ток впадины I_в - прямой ток в точке минимума вольт-амперной характеристики;

отношение токов I_n | I_в;

пиковое напряжение U_n – прямое напряжение, соответствующее пиковому току;

напряжение впадины U_в – прямое напряжение, соответствующее току впадины;

напряжение раствора U_рр – прямое напряжение, большое напряжение впадины, при котором ток равен пиковому;

отрицательная дифференциальная проводимость q_диф, определяемая на середине падающего участка вольт-амперной характеристики;

сопротивление потерь r_n r_э + r_Б + r_вв r_Б.

Эквивалентная схема туннельного диода, соответствующая рабочему участку вольт-амперной характеристики, представлена на рис. 3.13. Так как туннельные диоды изготавливают из вырожденного полупроводника, то они могут работать в очень большом диапазоне изменения температур (до +400⁰С) и более высоких уровнях радиации. Туннельный диод обладает большим быстродействием, объясняющимся высокой скоростью прохождения электронов через р-n переход (за время, равное 10^-13с). Поэтому предельная частота работы достигает сотен гигагерц.

Рис 3.13

Недостатками туннельных диодов являются трудности разделения цепей входа и выхода, так как туннельный диод является двухполюсником, малая мощность из-за низких питающих напряжений (десятые доли вольта) и малой площади р-n перехода, необходимость иметь высокостабильные источники питания.

Наличие падающего участка позволяет использовать туннельные диоды в качестве активных элементов в различных радиотехнических устройствах: усилителях, генераторах, переключателях СВЧ- диапазона, а также в быстродействующих импульсных устройствах и других схемах.

Обращённые диоды являются разновидностью туннельных диодов. Обращёнными называют полупроводниковые диоды, у которых вследствие туннельного эффекта проводимость при обратном включении значительно больше, чем при прямом. Они изготавливаются из полупроводника с критической концентрацией примесей.

При включении такого диода в обратном направлении за счет туннельного эффекта электроны из валентной зоны области р переходят на свободные уровни свободной зоны области n, и через р-n переход течет большой обратный ток (как и у туннельного диода, включенного в обратном направлении). Если включить диод в прямом направлении, то перекрытия зон не происходит, туннельный эффект не проявляется и прямой ток не течет до тех пор, пока пока не появится диффузионный ток (т.е. участок с отрицательной дифференциальной проводимостью отсутствует). Вольт-амперная характеристика обращенного диода принимает вид, приведенный на рис.3.14. поскольку у этих диодов прямой ток меньше обратного, то их и называют обращенными.

Рис. 3.14

Малая инерционность, связанная с туннельным прохождением тока, и большая кривизна характеристики позволяют использовать обращенные диоды в качестве детекторов и смесителей в диапазоне СВЧ, а также ключевых устройств для импульсных сигналов малой амплитуды. Условные графические изображения туннельного и обращенного диода приведены на рис. 3.15а и 3.15б соответственно.

Рис. 3.15