Туннельный диод

Обозначение на схемах

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) туннельного диода. В диапазоне напряжений Шаблон:Math дифференциальное сопротивление отрицательно

Тунне́льный дио́д или диод Эсаки (изобретён Лео Эсаки в 1957 году) — полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, на вольт-амперной характеристике которого при приложении напряжения в прямом направлении имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, обусловленный туннельным эффектом.

Устройство

Туннельный диод представляет собой p-n-переход, обе области в котором имеют предельно сильное, до вырождения, легирование — концентрации доноров <math>N_D</math> в n-области и акцепторов <math>N_A</math> в p-области могут превышать 10¹⁹ см⁻³. В качестве полупроводникового материала используются кремний, германий, соединения типа A^IIIB^V. Прибор имеет два вывода, которые подключаются к общей цепи тем или иным способом.

Принцип функционирования

Файл:Band diagram tunnel diode working bias.png

Зонная диаграмма туннельного диода на базе p-n-перехода с сильнолегированными областями в условиях туннелирования электронов (помечено стрелкой)

Файл:Caratteristica tensione - corrente di un diodo Tunnel-ru.svg

Туннельный и диффузионный токи туннельного диода

Обычные диоды при увеличении прямого напряжения монотонно увеличивают пропускаемый ток. В туннельном диоде квантовомеханическое туннелирование электронов обеспечивает особенность вольт-амперной характеристики: резкий подъём, а затем спад пропускаемого тока при увеличении прямого («+» на Шаблон:Mathобласти) напряжения.

Из-за высокой степени легирования Шаблон:Math и Шаблон:Math областей yровни Ферми <math>E_{Fp},</math> <math>E_{Fn}</math> лежат внутри разрешённых зон: <math>E_{vp} > E_{Fp}</math> и <math>E_{Fn} > E_{cn}.</math> На участке напряжений от нуля до <math>(E_{vp}-E_{Fp})/q + (E_{Fn}-E_{cn})/q</math> (здесь <math>q</math> — элементарный заряд) зона проводимости Шаблон:Mathобласти энергетически перекрывается с валентной зоной Шаблон:Mathобласти<ref>Шаблон:БСЭ3</ref>, то есть оказывается, что <math>E_{vp} > E_{cn}.</math> При таких напряжениях туннельный эффект позволяет электронам преодолеть энергетический барьер в области перехода с шириной Шаблон:Nobr, причём вклад в ток дают, в основном, энергии из пересечения диапазонов <math>E_{cn}\ldots E_{vp}</math> и <math>E_{Fp}\ldots E_{Fn}</math> (большинство состояний в диапазоне <math>E_{Fp}\ldots E_{Fn}</math> на одной стороне барьера заполнены электронами, а на другой пусты, что и создаёт условия для переноса электронов). При дальнейшем увеличении прямого напряжения получается <math>E_{vp} < E_{cn}</math> и, поскольку энергия электрона при туннелировании должна сохраняться<ref>Шаблон:БСЭ3</ref>, оно становится невозможным — происходит уменьшение тока.

Образующаяся область отрицательного дифференциального сопротивления, где увеличение напряжения сопровождается уменьшением силы тока, используется для усиления слабых сверхвысокочастотных сигналов.

Параллельно с туннелированием электронов происходит их заброс по зоне проводимости из Шаблон:Mathобласти в Шаблон:Mathобласть. Этот процесс, как и в обычном диоде, монотонно усиливается с ростом прямого напряжения и обеспечивает второе поповышение силы тока после спада (см. рисунок).

История изобретения

«Генерирующий детектор»

Впервые «генерирующий детектор» — диод, образованный контактом металла с полупроводником и имеющий отрицательное дифференциальное сопротивление — был продемонстрирован британским физиком Уильямом Экклзом в 1910 году, но в то время не вызвал интереса<ref name="ftt">Шаблон:Статья</ref>.

В начале 1920-х годов советский радиолюбитель, физик и изобретатель Олег Лосев независимо от Экклза обнаружил эффект отрицательного дифференциального сопротивления в диодах из кристаллического оксида цинка. Этот эффект получил название «кристадинный» и использовался для генерации и усиления электрических колебаний в радиоприёмниках и передатчиках, но вскоре был вытеснен из практической радиотехники электровакуумными приборами. Механизм возникновения кристадинного эффекта неясен. Многие специалисты предполагают, что он вызван туннельным эффектом в полупроводнике, но прямых экспериментальных подтверждений этого (по состоянию на 2004 год) получено не было. Существуют и другие физические явления, способные послужить причиной кристадинного эффекта<ref name="ftt" />. При этом кристадин и туннельный диод — это разные устройства, и отрицательное дифференциальное сопротивление у них проявляется на разных участках вольт-амперной характеристикиШаблон:Нет АИ.