Главная | Обратная связь

Туннельные диоды, и их применение

Туннельным диодом (ТД) называют ПД, в кот. испол-ся туннельный эффект при прямом напряж-и.

До сих пор мы рассматривали p-n переходы, в кот. уровень Ферми находился в середине запрещ-й зоны п/п. Уровень Ферми можно определить как уровень, вероятность пребывания электрона на котором равна .

Вероятность того, что энергетический уровень с энергией E занят электроном в зоне проводим-ти: ,

а вероят-ть того, что энергетический уровень с энергией E свободен или занят дыркой в валентной зоне: .

В собственном п/п уровень Ферми располагается в середине запрещ. зоны, и энергия уровня Ферми

, ,

если эффективные массы электрона и дырки равны .

По мере увеличения концентрации легирующей примеси уровень Ферми приближается к дну зоны проводимости в п/п n-типа и к верху валентной зоны в п/п p-типа. При очень больших концентрациях примеси (в германии примерно см ) энергетическая диаграмма п/п видоизменяется. Во-первых, уменьшается ширина запрещ. зоны и, во-вторых, что более существенно, уровень Ферми расположен внутри зоны проводимости или валентной зоны. Такие п/п называют вырожденными.

Энергетическая диаграмма p-n перехода, образованного полупров-ми p- и n-типов, уровни Ферми в кот. лежат в вален. зоне и в зоне проводимости, соответ-но, изображена на рис. 5.13а.

Сравнение этой диаграммы с диаграммой рис. 5.13б показывает, что в p-n переходе, образованном вырожденными п/п, в отличие от обычного p-n перехода, имеет место «перекрытие зон», т.е. в некот. интервале энергий, равном , разрешенные состояния в вален. зоне p-области имеют такую же энергию, что и разрешенные состояния зоны проводимости в n-области. Пространственно эти состояния разделены потенциальным барьером двойного слоя. Ширина этого барьера весьма мала. При см величина d оказывается порядка см.

5.13. Энергетические диаграммы туннельного (а) и обычного (б) р-п перехода

Если барьер достаточно тонок, а за ним есть незанятые уровни энергии, то согласно квантовой механике электрон может проникнуть сквозь барьер даже в том случае, когда кинетическая энергия электрона оказывается меньше энергетической высоты потенц. барьера.

Существование туннельного перехода сквозь барьер изменяет вид ВАХ p-n перехода в вырожденных полупроводниках. Будем считать, что ° К. Тогда распределение носителей по уровням энергии в зонах описывается ступенчатой функцией Ферми и вследствие этого ток над барьером равен нулю (нет электронов, способных преодолеть потенц. барьер). При отсутствии внеш. напряжения нет также электронов, кот. могли бы туннелировать из зоны проводимости в n-области на незанятые уровни в вален. зоне p-области, и нет электронов, способных туннелировать из p-области в n-область, т.о., туннельный ток ч/з переход равен нулю. Когда >0° К, потоки электронов как туннельные, так и над барьером справа налево равны потокам слева направо (устанавливается динамическое равновесие как и в обычном p-n переходе).

Когда к p-n переходу приложено внеш. напряжение, увеличивающее барьер (+ на n-области и – на p-области), уровни энергии в зонах сместятся друг относит. друга (рис. 5.14а), и электроны из вален. зоны получат возможность туннелировать на незанятые уровни в зоне проводимости. В результате ч/з p-n переход потечет ток. Этот ток будет увелич-ся по мере роста обрат. напряжения, т.к. при этом все большее число электронов из вален. зоны получает возможность туннелировать в зону проводимости.

5.14. Энергетические диаграммы туннельного р-п перехода при обратных напряжениях (а) и при различных прямых напряжениях (б)

Когда к p-n переходу приложено прямое напряжение, уменьшающее высоту потенц. барьера, по мере увеличения ток ч/з переход нарастает за счет того, что электроны из зоны проводимости получают возможность туннелировать на незанятые состояния в вален. зоне (рис. 5.14б). Затем, когда напряжение увеличится настолько, что положение уровня Ферми в зоне проводимости окажется против верха вален. зоны, ток достигает max (рис. 5.14в), а затем начинает уменьш-ся (рис. 5.14г), т.е. появляется участок ВАХ с «-» дифференциальным сопротивлением. Причина уменьшения туннельного ока заключается в том, что при ( > ) > все большая часть занятых состояний в зоне проводимости перестает перекрываться со свободными состояниями в вален. зоне. Когда напряжение достигает значения ( ) , зоны полностью перестают перекрываться и туннельный ток должен стать равным нулю (рис. 5.14д). При дальнейшем увеличении приложенного напряжения потенц. барьер уменьш. настолько, что становится существенным переход электронов ч/з барьер, т.е. появляется диффузионная компонента тока. Поэтому ток ч/з переход вновь возрастает (рис. 5.14е).

В реальных p-n переходах ток в области минимума ВАХ никогда не бывает равен нулю. Причина этого заключается в наличии в p-n переходе двух компонент тока: туннельной и диффузионной. Однако величина тока в минимуме всегда значительно превышает сумму туннельной и диффузионной компонент, если считать, что туннельный ток равен нулю при ( ≥ ) ≥ .

Последнее предположение было бы верно, если бы в запрещ. зоне не было разрешенных уровней энергии. В действительности внутри запрещ. зоны существует система разрешенных состояний (уровни дислокаций, дефектов решетки и примесей с глубокими уровнями). Эти разрешенные уровни, с кот. также возможно туннелирование, обуславливают наличие избыточной компоненты тока.

Напряжение, соответствующее максимуму тока

, .

При изготовлении туннельных диодов используют германий, арсенид галлия и антимонид галлия. Туннел. диоды из арсенида галлия имеют на характер-х широкую область «-» сопротивления и используются для генерирования СВЧ-колебаний, а также в схемах переключения. Диоды из антимонида галлия обладают наименьшим уровнем шумов, и их используют в приемно-усилительных устройствах СВЧ. Германиевые диоды более надежны, обладают большой стабильностью параметров и распространены наиболее широко.

Для оценки свойств туннел. диода используют прежде всего координаты экстремальных точек А и В его ВАХ: пиковый ток и ток впадины , напряж. пика и напряж. впадины , а также напряж. раствора , при кот. достигается ток, равный на восходящей ветви характер-ки.

Отношение токов характеризует усилительное свойство диода, и его стараются сделать как можно больше. Величина этого отношения зависит от исходного материала и с повышением концентрации примесей увелич-ся, однако этот рост ограничен растворимостью примесей в исходных материалах. Кремний не используется для изготовления туннел. диодов, т.к. указанное отношение токов в кремниевых диодах мало.

Важным параметром туннел. диода явл-ся также величина дифференциального сопротивления диода на падающем участке харак-ки.

Напряжение определяется, главным образом, шириной запрещ. зоны; оно тем больше, чем больше ширина запрещ. зоны, т.к. в этом случае заметный по величине диффузионный ток начинается при большем понижении потенц. барьера.

Емкость туннел. диода явл-ся также важным параметром. Ширина p-n перехода мала, поэтому барьерная емкость оказывается больше, чем в обычных диодах. Чтобы уменьшить емкость, уменьшают площадь сплавного перехода электролитическим травлением. Диаметр перехода становится равным 2-3 мкм, но при этом также уменьшается .

Предел. частота усиления и генерирования туннел. диодов, ограниченная лишь емкостью p-n перехода, распределенным сопротивлением базы и индуктивностью выводов, может достигать нескольких десятков гигагерц.

Отличительными качествами туннел. диодов явл-ся также низкий уровень шумов, малое потребление мощности, устойчивость к ядерному излучению, небольшие массы и габариты. Диаметр рабочих температур приборов очень широк (от -2000 до +100^о С). Эти качества диодов обусловили их широкое применение в различных схемах вычислительных устройств, радиотехнике и прочее.

К основным электрическим параметрам туннельных диодов следует отнести: значения токов и , величины соответствующих им напряжений и (см. рис. 5.14е), отношение , величину эквивалентной емкости p-n перехода , величину последовательного сопротивления (сопротивление выводов и объемное сопротивление материала диода) и величину последовательной индуктивности (ее величина определяется конструкцией прибора). Типовыми параметрами для туннел. диодов (напр., выполненных на базе германия) являются: мА; мА; мВ; мВ; пФ; Гн; Ом; . В ряде применений туннел. диода требуется знать шумовые харак-ки прибора, а также ряд других параметров, явл-ся производными от перечисленных выше.

Величина тока , так же и величина эквивалентной емкости , определяются не только типом материалов, использованных для получения p-n перехода, но также еще площадью и шириной p-n перехода.

Сложность измерения эквивалентной емкости p-n перехода, связанная с небольшой (относительно) ее величиной и малым шунтирующим эквивалентную емкость p-n перехода активным динамическим сопротивлением (за исключением точек и ), не позволяющим до настоящего времени точно определять характер зависимости и ряд физич. параметров прибора, в том числе контактную разность потенц-в . Тем не менее, есть основания утверждать, что для p-n перехода туннел. диода более соответствует выражению , (5.4) чем (1).

Величины напряжений и определяются физич-ми свойствами п/п материалов.