Туннельные и обращенные диоды

Туннельными являются полупроводниковые диоды, в которых используется тун­нельный эффект, приводящий к появлению на прямой ветви ВАХ участка с отрица­тельным дифференциальным сопротивлением (рис. 4.3). Они используются и в каче­стве сверхскоростных переключателей. Эти диоды изготовляют из сильнолегирован­ных (вырожденных) арсенида галлия или германия. Ширина обедненного слоя р-n-перехода туннельных диодов из-за боль­шой концентрации примеси очень мала (около 10 нм, т.е. в сотни раз меньше, чем у других диодов). Кроме того, уровни Ферми вырожденных областей находятся в зоне проводимости и валентной зоне. Теория и экс­перимент показывают, что при обратных и небольших (около 100...200 мВ) прямых напряже­ниях появляется дополнитель­ный ток, объясняемый кванто­вой природой туннельного эф­фекта. При этом эффекте час­тица (электрон) способна пройти сквозь потенциальный барьер без изменения своей энергии на свободный энергетический уровень.

На рис. 4.3 кроме ВАХ показаны зонные диаграммы, соответствующие характер­ным точкам ВАХ, и указаны направления движения носителей. При увеличении пря­мого напряжения туннельный ток вначале возрастает и достигает максимального значения. При дальнейшем увеличении туннельный ток убывает до нуля, но при этом начинает увеличиваться прямой ток, соответствующий инжекции носителей и опре­деляемый прохождением над потенциальным барьером. Таким образом, прямой ток туннельного диода представляет собой сумму сначала нарастающего, а затем пада­ющего до нуля при увеличении U туннельного тока и обычного, связанного с инжекцией, т.е. диффузионного тока. В результате этого на ВАХ появляется участок спада прямого тока (М-образная ВАХ). При подаче обратного напряжения туннельный об­ратный ток резко возрастает, приводя к туннельному пробою (см. § 3.5.3).

Туннельный эффект развивается за 10^-14...10^-13c, поэтому туннельные диоды могут использоваться на СВЧ. Частотный предел работы таких диодов ограничивает­ся только собственными реактивностями (ем­костями р-n-перехода и корпуса), а также инду­ктивностью вывода.

Туннельный диод представляет собой полу­проводниковый прибор, работающий при малых напряжениях (десятые доли вольта) и относи­тельно небольших токах (единицы миллиампер).

При снижении степени легирования одной из областей сильнолегированного р-n-перехода тун­нельный эффект проявляется слабо и туннель­ный ток прямой ветви ВАХ становится незначи­тельным. Диоды, обладающие большим туннель­ным обратным и малым туннельным прямым то­ками, называются обращенными (рис. 4.4) и используются в схемах переключения в наносекундном и пикосекундном диапазонах, а так­же для детектирования СВЧ–сигналов.

Основными параметрами ВАХ туннельных диодов являются:

· пиковый ток и ток впадины – прямые токи в точках максимума и минимума ВАХ, а также соответствующие этим токам напряжения пика и впадины ;

· напряжение раствора (раскрыва) , при котором ток при увеличении прямо­го напряжения становится равным пиковому току ;

· отрицательное дифференциальное сопротивление (десятки – сотни Ом). Для туннельных диодов из германия / =4...6, =40...100MB, =300...450 мВ, а из арсенида галлия / до 10 и выше, = 100...200 мВ, =400...600 мВ.