Туннельный диод

Определение "Туннельный диод" в Большой Советской Энциклопедии

Вольтамперные характеристики туннельных диодов

Туннельный диод, двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, в котором имеется очень узкий потенциальный барьер, препятствующий движению электронов; разновидность полупроводникового диода. Вид вольтамперной характеристики (ВАХ) Туннельный диод определяется главным образом квантово-механическим процессом туннелирования (см. Туннельный эффект), благодаря которому электроны проникают сквозь барьер из одной разрешенной области энергии в другую. Изобретение Туннельный диод впервые убедительно продемонстрировало существование процессов туннелирования в твёрдых телах. Создание Туннельный диод стало возможно в результате прогресса в полупроводниковой технологии, позволившего создавать полупроводниковые материалы с достаточно строго заданными электронными свойствами. Путём легирования полупроводника большим количеством определённых примесей удалось достичь очень высокой плотности дырок и электронов в р - и n- областях, сохранив при этом резкий переход от одной области к другой (см. Электронно-дырочный переход). Ввиду малой ширины перехода (50-150 Å) и достаточно высокой концентрации легирующей примеси в кристалле, в электрическом токе через Туннельный диод доминируют туннелирующие электроны. На рис. 1 приведены упрощённые энергетические диаграммы для таких р - n - переходов при четырёх различных напряжениях смещения U. При увеличении напряжения смещения до U₁ межзонный туннельный ток (i_t на рис. 1, б) возрастает. Однако при дальнейшем увеличении напряжения (например, до значения U₂, рис. 1, в) зона проводимости в n-oбласти и валентная зона в р-области расходятся, и ввиду сокращения числа разрешенных уровней энергии для туннельного перехода ток уменьшается - в результате Туннельный диод переходит в состояние с отрицательным сопротивлением. При напряжении, достигшем или превысившем U₃ (рис. 1, г), как и в случае обычного р - n-перехода, будет доминировать нормальный диффузионный (или тепловой) ток.

Энергетические диаграммы электронно-дырочного перехода туннельного диода

Первый Туннельный диод был изготовлен в 1957 из германия; однако вскоре после этого были выявлены др. полупроводниковые материалы, пригодные для получения Туннельный диод: Si, InSb, GaAs, InAs, PbTe, GaSb, SiC и др. На рис. 2 приведены ВАХ ряда Туннельный диод В силу того что Туннельный диод в некотором интервале напряжений смещения имеют отрицательное дифференциальное сопротивление и обладают очень малой инерционностью, их применяют в качестве активных элементов в высокочастотных усилителях электрических колебаний, генераторах и переключающих устройствах.
Л. Эсаки.

  От редакции. Туннельный диод был предложен в 1957 лауреатом Нобелевской премии Л. Эсаки, поэтому Туннельный диод называют также диодом Эсаки
Лит.: Esaki L., New phenomenon in narrow germanium р - n junctions, «Physical Review», 1958, v. 109, № 2; его же, Long journey into tunnelling, «Reviews of modern Physics», 1974, v. 46, № 2.

Ge (1), GaSb (2), Si (3) и GaAs (4): U - напряжение смещения на туннельном диоде; I/Im - отношение тока через диод к току в максимуме ВАХ." href="/a_pictures/18/10/256546672.jpg">Ge (1), GaSb (2), Si (3) и GaAs (4): U - напряжение смещения на туннельном диоде; I/Im - отношение тока через диод к току в максимуме ВАХ."http://germanium.atomistry.com/">Ge (1), GaSb (2), Si (3) и GaAs (4): U - напряжение смещения на туннельном диоде; I/Im - отношение тока через диод к току в максимуме ВАХ." src="a_pictures/18/10/th_256546672.jpg">
Рис. 2. Вольтамперные характеристики (ВАХ) туннельных диодов на основе Ge (1), GaSb (2), Si (3) и GaAs (4): U - напряжение смещения на туннельном диоде; I/Im - отношение тока через диод к току в максимуме ВАХ.

U₁<U₂<U₃): Efp и Efh - уровни Ферми дырок и электронов; Eg - ширина запрещённой зоны; W - ширина p - n-перехода; е - заряд электрона; it и id - туннельный и диффузионный токи." href="/a_pictures/18/10/276052594.jpg">U₁<U₂<U₃): Efp и Efh - уровни Ферми дырок и электронов; Eg - ширина запрещённой зоны; W - ширина p - n-перехода; е - заряд электрона; it и id - туннельный и диффузионный токи."http://uranium.atomistry.com/">U₁<U₂<U₃): Efp и Efh - уровни Ферми дырок и электронов; Eg - ширина запрещённой зоны; W - ширина p - n-перехода; е - заряд электрона; it и id - туннельный и диффузионный токи." src="a_pictures/18/10/th_276052594.jpg">
Рис. 1. Энергетические диаграммы электронно-дырочного перехода туннельного диода при различных напряжениях смещения (О<U₁<U₂<U₃): Efp и Efh - уровни Ферми дырок и электронов; Eg - ширина запрещённой зоны; W - ширина p - n-перехода; е - заряд электрона; it и id - туннельный и диффузионный токи.