Тунельний діод

Випрямлення струму в напівпровідниках.

Напівпровідникові прилади, на вольт-амперних характеристиках (ВАХ) яких є ділянки з від’ємним диференціальним опором, називають приладами з від’ємним опором. За виглядом ВАХ їх поділяють на прилади S - типу та N-типу (рис. 1). До першого типу належать, наприклад, тиристор, до другого – тунельний діод (ТД).

На характеристиках S-типу (рис. 1, а) ділянка з від’ємним диференціальним опором перебуває між значеннями струмів І _зл > І > І _гр, а на характеристиках N-типу (рис. 1, б) – між значеннями напруг U _зл > U > U _гр. На цих ділянках при зростанні напруг струми зменшуються, тобто додатному приросту напруги dU відповідає від’ємний приріст струму dI і < 0.

На ВАХ S-типу кожному значенню струму відповідає лише одне значення напруги, тоді як одному значенню напруги можуть відповідати три різні значення струму. Відповідно, кожна точка на ВАХ такого типу однозначно визначається лише значенням напруги. Такі прилади називаються приладами, що керуються струмом.

Відповідно, для ВАХ N-типу одне значення струму може відповідати трьом різним значенням напруги. Тому такі прилади називаються приладами, що керуються напругою.

У пристроях з N-характеристикою замість від’ємного диференціального опору прийнято використовувати поняття від’ємної диференціальної провідності.

ТД – це двохелектродний напівпровідниковий пристрій, який містить р–п -перехід, утворений сильно легованими напівпровідниковими матеріалами, і ВАХ якого має аномальний характер N - типу. На відміну від звичайних діодів, ТД добре проводять струм як в прямому, так і у зворотному напрямках.

Ступінь легування у ТД в сотні і тисячі раз вищий, ніж у звичайних (детекторних чи випрямних) діодах, унаслідок чого р – п -перехід є дуже вузьким. У таких переходах виявляється тунельний ефект, що і привело до відповідної назви діода.

На рис. 2 зображено типову конструкцію тунельного діода. Основними елементами є: 1 – кристал напівпровідника (наприклад, арсенід галію р -типу) та 2 – невелика крапля матеріалу (наприклад, олово) високої провідності, під якою під час вплавлення краплі формується р – п -пере-хід. Кристал розміщений в герметичному корпусі (утвореному керамічною втулкою 7 та металевими кришками 3 і 6), який має малу ємність та індуктивність, і контактує з однією із кришок 3. Невелика пластина 4, що принд-нана до краплі, забезпечує її контакт з металевим кільцем 5 та верхньою кришкою 6. Величина максимального струму діода пропорційна до площі переходу, яку можна корегувати до потрібної величини шляхом травлення.

Завдяки високій концентрації домішок в матеріалі тунельного діода в напівпровіднику як п-,так і р- типу, запірний шар переходу максимально зменшується (при N_a=N_d= 10¹⁹ см^-3), що призводить до виникнення ефекту тунельного проходження електронів та до появи аномальної вольт-амперної характеристики ТД (N-типу).

Сильне електричне поле в області р – п -переходу легко створити. Навіть за відсутності зовнішньої напруги між р - та п -областями наявна контактна різниця потенціалів φ_к, яка створює в області р–п -преходу просторовий заряд і електричне поле. За рівномірного розподілу домішок з концентрацією донорів N_d в п -області і акцепторів N_a в р -області ширина просторового заряду визначається формулами (1) та (2)

де l_n, l_p – глибини проникнення області просторового заряду відповідно в сторону п- та р- переходу, l= l_n + l_p; , де j _кnта j _кр– вклади контактних різниць потенціалів, які припадають на п- і р -області, відповідно; N^* – зведена концентрація домішок.

При l =100 Å, qj _к= Е_g ≈ 1 еВ і ε =10 концентрація домішок, за яких помітний тунельний ефект в р – п -переході, буде порядку 10¹⁹ см^-3. У разі таких великих концентрацій домішок напівпровідник є виродженим, тобто концентрації електронів та дірок в зонах описують вже не статистикою Больцмана, а статистикою Фермі. Рівень Фермі в рівноважному стані розміщений вище, ніж дно зони провідності в п -області, та нижче, ніж стеля валентної зони в р - області.

На рис. 3 ВАХ ТД порівнюється з характеристикою звичайного випрямного діода. У випрямному діоді струм у прямому напрямку починає з’являтися за напруг порядку 0,5 В (залежно від матеріалу напівпровідника). При зворотному зміщенні струм майже відсутній до моменту пробою.

Тунельний діод, навпаки, володіє високою провідністю за напруги, близь-кій до нуля, а помітний струм фіксується уже в разі невеликих напруг, як в прямому, так і в зворотному напрямках. Активна робоча область в тунельних діодах розміщена в області значно нижчих напруг, тому тунельні діоди є доволі малопотужними пристроями.

При незначному збільшенні прямої напруги струм в тунельному діоді різко зростає, досягає максимуму, далі різко падає до мінімуму і, нарешті, при подальшому збільшенні напруг зростає експоненційно (як у випрямному діоді). Різке зменшення струму при збільшенні додатного зміщення призводить до появи в тунельному діоді ділянки характеристики з від’ємним опором. Ця властивість тунельного діода дає змогу перетворювати енергію джерела постійного струму в енергію змінного струму і використовувати його в якості підсилювача, генератора чи перемикача.

Дата добавления: 2015-05-08