Вольтамперная характеристика туннельного диода

Использовать туннельный диод предложил Эсаки в 1958 г. Его особенностью является резкий pn-переход между двумя сильнолегированными (вырожденными) участками полупроводника [6, 12]. На границе формируется тонкий потенциальный барьер, сквозь который могут проходить (туннелировать) электроны. без изменения их энергии. Вероятность переходов с одной из сторон пропорциональна количеству занятых состояний на этой стороне и противолежащих им свободных состояний на другой стороне. Туннельный ток резко снижается с увеличением высоты барьера и его толщины. Как правило, для протекания туннельного тока толщина pn-перехода не должна превышать 100 Å, для этого требуется концентрация примеси в обоих областях не менее 10¹⁹ см^–3.

С учетом высказанных соображений рассмотрим ВАХ туннельного диода, показанную на рис. 5.1 , а , где дано также упрощенное изображение энергетической диаграммы pn-перехода в различных режимах. С учетом вырождения материалов уровень Ферми для обеих областей располагается внутри соответствующих разрешенных энергетических зон, заштрихованы участки разрешенных зон ниже уровня Ферми, преимущественно заполненные электронами. Номера фрагментов для различных значений приложенного напряжения соответствуют точкам на ВАХ. Стрелки указывают направление преимущественных переходов электронов в каждом режиме, они расположены в соответствующих энергетических интервалах.

Рассмотрены следующие режимы:

1. Нулевое смещение. Заполненные участки зон примерно симметричны относительно границ потенциального барьера; в условиях термодинамического равновесия суммарный туннельный ток равен нулю.

2. Небольшое обратное смещение. Против заполненного участка валентной зоны p‑области лежат свободные уровни в зоне проводимости n‑области, к ним направлен поток туннелирующих электронов. Уже при минимальном обратном напряжении начинается рост тока, который усиливается при дальнейшем увеличении напряжения.

3. Небольшое прямое смещение. Против заполненного участка зоны проводимости n‑области лежат свободные уровни в валентной зоне p‑области, поток туннелирующих электронов меняет направление. Максимум туннельного тока соответствует наибольшему перекрытию указанных участков по энергии.

4. Повышенное прямое смещение. Перекрытие указанных выше участков зон исчезло, туннельный ток по этим участкам I _т падает до нуля. Остаточный ток связан с туннелированием с заполненных глубоких уровней остаточных примесей в запрещенной зоне n‑области на свободные уровни в валентной зоне p‑области (показано стрелкой) и с заполненных уровней в зоне проводимости n‑области на свободные глубокие уровни остаточных примесей в запрещенной зоне p‑области. Эти токи сравнительно малы, т. к. плотность состояний на примесных уровнях значительно меньше, чем в разрешенных энергетических зонах.

При дальнейшем увеличении прямого смещения начинается рост прямого диффузионного тока pn-перехода I _пр , связанный со снижением энергетического барьера.

В итоге на прямой ветви ВАХ формируется область туннельного тока, имеющая участок отрицательного дифференциального сопротивления R_d < 0 (активная компонента проводимости также отрицательна: G_d < 0 ). Как было показано в разделе 2.3, при работе на этом участке диод отдает энергию во внешнюю цепь и может быть использован для усиления или генерации мощности. Так как туннельный эффект обладает очень малой инерционностью (менее 10^–12 с), рассматриваемые диоды способны работать на частотах до 100 ГГц. Они используются для генерации и усиления СВЧ сигналов малой мощности.

Помимо «физического» ограничения рабочей частоты, следует учитывать и «схемотехническое» ограничение, связанное в первую очередь с паразитными параметрами самого диода. Если в его эквивалентной схеме помимо отрицательной проводимости учесть емкость перехода C_j и последовательное сопротивление пассивных областей R_s , то из условия отрицательной активной компоненты импеданса получим:

.

(5.1)

Здесь для упрощение не учтена паразитная индуктивность выводов диода, показанная ниже на рис. 5.3. Видно, что для повышения рабочей частоты следует снижать сопротивление R_s и емкость диода. Последнее требование приводит к необходимости уменьшения площади структуры (особенно с учетом малой толщины перехода и высокой удельной емкости), что означает снижение максимального тока и мощности. Малая рабочая мощность следует также из ограниченной протяженности участка отрицательного дифференциального сопротивления на прямой ветви ВАХ, не превышающей сотен милливольт.