Конструкция и применение туннельного диода

Материалами для туннельных диодов служат Ge, GaAs, GaSb и некоторые другие полупроводники. Для создания резкого pn-перехода высоколегированных (вырожденных) материалов наиболее часто используется метод вплавления.

Один из вариантов конструкции диода представлен на рис. 5.2. В качестве подложки GaAs структуры использован наиболее высокоомный материал, который обычно называют «полуизолирующим». Выращенный на подложке эпитаксиальный p⁺-слой защищен слоем окисла SiO². В окисле вскрываются отверстия нужного диаметра, в них наносятся Sn для формирования n⁺-области и сплав Au + Ge для создания омического контакта. При нагревании структуры происходит вплавление нанесенных материалов, после охлаждения и рекристаллизации образуется n⁺-область туннельного диода. В нужных точках припаиваются металлические шариковые контакты, к которым впоследствии контактируют внешние выводы. Распространены также варианты конструкции диодов с балочными выводами.

Рис. 5.2. Вариант конструкции туннельного диода

На рис. 5.3 дана высокочастотная эквивалентная схема отражательного усилителя на туннельном диоде (ТД). На входе устройства имеется циркулятор Ц, обеспечивающий развязку источника входного сигнала и нагрузки (см. пояснение к рис. 2.8).

Рис. 5.3. Усилитель отражательного типа на туннельном диоде

Источник постоянного смещения (на схеме не показан) обеспечивает работу диода на участке отрицательного дифференциального сопротивления R_d < 0 . Остальные параметры являются традиционными для эквивалентной схемы диода. Элемент L_р представляет собой эквивалентную индуктивность резонатора, в котором размещен диод, на рабочей частоте; сопротивление R_р отражает активные потери резонатора и остальных элементов устройства. Перестраивая резонатор, можно в широком диапазоне изменять рабочую частоту усилителя, т. к. отрицательное активное сопротивление диода проявляется вплоть до максимальной частоты, см. уравнение (5.1).

Туннельный диод характеризуется малым значением последовательного сопротивления R_s (из-за низкого сопротивления высоколегированных областей и омических контактов к ним) и связанным с этим низким уровнем шума.

Поскольку для изготовления туннельных диодов используются вырожденные полупроводники, они способны работать при высокой температуре без значительного проявления собственной проводимости. Для GaAs диодов максимальная рабочая температура приближается к 400°C. Однако из-за низких рабочих напряжений и малой площади перехода туннельные диоды имеют очень низкую рабочую мощность. Наиболее часто они используются на частотах от 1 до 30 ГГц при выходной мощности порядка единиц милливатт.