Туннельные диоды. 
Электроника

Работа туннельных диодов основана на явлении квантовомеханического туннелирования основных носителей через потенциальный барьер, энергия которого превышает энергию носителей.

Время туннелирования (т._г) определяется вероятностью квантово-механического перехода в единицу времени, которое пропорционально ехр [-2/г (0)И^], где IV — ширина потенциального барьера, /г (0) — среднее значение волнового вектора носителя заряда в процессе туннелирования, приходящееся на один носитель с нулевым поперечным импульсом и энергией, равной энергии Ферми.

Время туннелирования т_т чрезвычайно мало, и поэтому туннельные приборы используются в СВЧ-диапазоне в качестве генераторов, переключателей, для туннельной спектроскопии и т. д.

Поскольку вероятность туннельного перехода сильно зависит от ширины потенциального барьера IV, то в туннельных диодах используются р—п переходы, образуемые вырожденными полупроводниками, т. е. полупроводниками с концентрацией примеси порядка 10²⁰…Ю²¹ см^-3. Из-за сильного легирования уровень Ферми располагается внутри зоны проводимости (для ц области) и внутри валентной зоны (для р-области), как это показано на рис. 3.8, а, диаграмма 2. Ширина обедненного слоя (ширина р—п-перехода) при указанной степени легирования составляет величину ~ 100 ангстрем (А) и менее.

Рассмотрение работы туннельных диодов для простоты проведем при температуре абсолютного нуля. В этом случае выше уровня Ферми все разрешенные энергетические состояния по обеим сторонам перехода являются свободными, а ниже уровня Ферми — заполненными электронами (рис. 3.8, а). В отсутствие приложенного напряжения (С/ = 0 на рис. 3.8, а) туннельный ток через переход не протекает, поскольку туннелирование частиц в данном случае не имеет места, так как туннельный переход происходит без изменения энергии частицы, а при и — 0 уровни одинаковой энергии в обеих областях или свободны (расположены выше Е_ф, Е_ф), или заняты (расположены ниже.

Рис. 3.8.

Е_ф и Е_ф). На ВАХ (рис. 3.8, б) рассматриваемому случаю соответствует точка 2, а на рис. 3.8, а — диаграмма 2.

При подаче напряжения происходит туннелирование электронов с занятых состояний валентной зоны р полупроводника на свободные состояния л полупроводника (обратное смещение, точка 1 на ВАХ рис. 3.8, б, диаграмма 1 на рис. 3.8, а) или, наоборот, с занятых состояний л полупроводника на свободные уровни р полупроводника (прямое смещение, точка 3 на рис. 3.8, б> диаграмма 3 на рис. 3.8, а). Для реализации указанных туннельных переходов необходимо выполнение следующих условий:

• 1) наличие заполненных состояний в области, откуда электроны туннелируют;
• 2) наличие свободных состояний с теми же значениями энергии в области, куда электроны туннелируют;
• 3) ширина потенциального барьера должна быть как можно меньше (сравнима с длиной волны де Бройля) для того, чтобы вероятность туннелирования была как можно больше;
• 4) квазиимпульс туннелирующих электронов должен сохраняться при переходе.

При подаче любого обратного напряжения занятые состояния в валентной зоне в р-области всегда перекрываются со свободными уровнями в п-области, поэтому обратный ток резко нарастает при увеличении абсолютного значения обратного напряжения, как это видно из ВАХ (рис. 3.8, б).

При прямом напряжении существуют значения энергий, при которых состояния в п области заполнены, а разрешенные состояния в р области пусты. На рис. 3.8, а и 3.8, б (диаграмма 3, точка 3 на ВАХ) изображен случай, когда перекрытие занятых состояний «области (ниже уровня Е_ф) и свободных состояний р области (выше уровня Е_ф) максимально, что соответствует набольшему туннельному току /_п при прямом смещении И и = и_п (точка 3 на ВАХ, рис. 3.8, б). В этом случае электроны туннелируют с уровней ниже Е_ф п-области на уровни выше Е_ф р области (диаграмма 3 на рис. 3.8, а).

При увеличении или уменьшении напряжения и > 1/_п или и < 11_п (Ц_п соответствует току /_п) перекрытие занятых и свободных состояний становится меньше и туннельный ток падает (например, точка 4 на ВАХ, диаграмма 4). Если напряжение на переходе и > ?/_в, занятые состояния в валентной зоне р-области соответствуют по энергии уровням в запрещенной зоне, в результате чего туннельный ток падает до нуля. При дальнейшем увеличении напряжения и > Г/_в через р—" переход будет протекать обычный диффузионный ток (например, точка 5 на ВАХ, энергетическая диаграмма 5). Таким образом, при увеличении прямого напряжения туннельный ток сначала нарастает от нуля до максимального значения /_п, а затем уменьшается до нуля, когда приложенное прямое напряжение удовлетворяет условию и = и_п + V (диаграмма 5), где 1/_п = (Е_ф — Е_п)/д — степень вырождения «области, и = (Е_ф — ?»)/</— степень вырождения р области.

В рассмотренном идеальном туннельном диоде туннельный ток уменьшается до нуля при напряжениях и_и > V_п + С/_р, и при и > и_п через диод протекает обычный ток инжекции неосновных носителей. Однако реально ток при и > ?/_в существенно превышает обычный диодный ток, т. е. существует некий «избыточный ток» через туннельный диод при и ^в и_в. Основная причина избыточного тока состоит в туннелировании носителей через энергетические состояния, расположенные в запрещенной зоне. Итак, в туннельном диоде полный ток складывается из трех составляющих: туннельного тока Д5 при и < 17 _в> избыточного тока у_и8 при и ~ и_в, т. е. в окрестности и_в, и диффузионного у_д8, который преобладает при С/ > 1/_в.

Статическая ВАХ определяется суммой этих трех компонент тока.

где у = 1/8 — плотность тока, 8 — площадь перехода, 17 _п, и_в — соответственно напряжение, соответствующее пиковому току /_п = у_п8, и напряжение впадины, при котором ток впадины /_в =.

= у_в8, А = 4/3(т* е/АГ*), т * — эффективная масса электрона в направлении туннелирования, е— диэлектрическая проницаемость полупроводника, А/* = [(А^_аА^_д)/(А^_а + N_д) — эффективная степень легирования, АГ_Д, АГ_а — концентрации доноров и акцепторов соответственно, <�р_г = ИТ/ц — тепловой потенциал, у₀ — плотность теплового тока.

Туннельные диоды могут быть изготовлены из многих полупроводников, при этом отношение токов Ь = /_п//_в для различных материалов различается следующим образом: Ь = 8 для Се, 6=12 для СаАэ, СаЗЬ, 6 = 4 для вц Ь = 12 для Оа_{0 7}А1_{0 3}Ав. В общем случае величина Ь возрастет при увеличении уровня легирования.

Статические параметры туннельного диода. Специфические параметры туннельных диодов связаны с особенностями его ВАХ. К ним относятся: пиковый ток — /_п, который для туннельных диодов лежит в диапазоне от десятых долей до сотен миллиампер; ток впадины — /_в, который при увеличении /_п определяется из значения коэффициента Ь; напряжение пика С/_п, которое для СаАв-дйодов равно 100—150 мВ, для Ое-дйодов 17_п = 40…60 мВ; напряжение впадины и_в: (У_в = 400…500 мВ для СаАя и 250…350 мВ для Се. Помимо указанных параметров для туннельного диода (как ВЧ, так и СВЧ-приборов), важны параметры, определяющие его эквивалентную схему или вытекающие из нее. Эквивалентная схема туннельного диода для падающего участка ВАХ.

(между точками 3 и 4 на рис. 3.8, а) представлена на рис. 3.9. Резистор г_ — дифференциальное отрицательное сопротивление р—/г перехода, г_пот — сопротивление потерь, определяемое сопротивлениями областей пир диода контактов и выводов, — индуктивность выводов, С = С_бар — емкость диода при фиксированном напряжении на переходе, г_пот «г_в (сопротивление выводов и контактов).

Импеданс приведенной на рис. 3.9 схемы равен.

Рис. 3.9.

Из формулы (3.2) видно, что активная и реактивная составляющие импеданса при некоторых значениях частот со = 2л/ равны нулю, при этом эти частоты различны для этих составляющих полного импеданса. Частота, при которой активная составляющая равна нулю, называется предельной резистивной частотой /_д

Резонансная частота /₀ туннельного диода соответствует равенству нулю реактивной составляющей полного импеданса.

При разработке туннельных диодов закладывается условие /₀ > /_Л. В результате возможные паразитные резонансы могут возникать только на частотах, на которых диод не обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. Из указанного неравенства следует ограничение на индуктивность Ь_ь < |г_|г_потС, что достигается использованием коаксиальной или волноводной таблеточной конструкции корпуса.

Обращенный диод. Если концентрации легирующих примесей таковы, что р и я области близки к вырождению либо слабо вырождены, то при малых прямых и обратных смещениях ток в прямом направлении меньше тока в обратном. Отсюда возникает название такого туннельного диода — обращенный диод. В равновесии уровень Ферми в обращенном диоде близок к границам зон разрешенной энергии, т. е. к потолку валентной зоны р-области и дну зоны проводимости я-области.

Рис. 4.0.

При обратном смещении электроны легко туннелируют из валентной зоны р области в зону проводимости л области, что будет приводить к возрастанию туннельного тока с ростом абсолютного значения обратного напряжения. В результате обратная ветвь ВАХ обращенного диода аналогична ВАХ туннельного диода (рис. 3.10, а, б). При подаче прямого напряжения ток в обращенном диоде определяется инжекцией носителей заряда через переход подобно обычному диоду. При малых прямых напряжениях и < 0,5 В прямой ток в обращенном диоде значительно меньше обратного. За счет избыточного туннельного тока в обращенных диодах возможны слабые проявления туннельного эффекта при прямых смещениях (см. рис. 3.10, а). Обращенные диоды можно использовать в качестве детекторов малых сигналов СВЧ-излучения, смесителей, переключателей.

Обращенные диоды имеют хорошие частотные характеристики, поскольку их работа не сопровождается накоплением неосновных носителей, и малый 1//шум (см. гл. 22). ВАХ этого типа диодов не чувствительна к влиянию температуры и облучения.

Помимо рассмотренных приборов, туннельный эффект используется также в МДП-диодах (структура металл — диэлектрик — полупроводник) при толщине диэлектрика от 10 до 50 А, в МДМ-диодах (структура металл — диэлектрик — металл) и туннельных транзисторах на основе МДП и МДМ структур.