Туннельные диоды

Туннельный диод имеет N-образную ВАХ и его работа основана на туннельном эффекте в p-n-переходе, образованном вырожденными полупроводниками. Вырождение полупроводников и малые величины ширины p-n-перехода достигаются за счет сильного легирования p-n-областей. Уровень Ферми в этом случае располагается в валентной области полупроводника p-типа и в зоне проводимости полупроводника n-типа.

Зонные диаграммы контакта двух вырожденных полупроводников показаны на рис. 1.16. Малая ширина p-n-перехода позволяет электронам туннелировать из зоны проводимости n-области на свободные уровни в валентной зоне, а дыркам из валентной области в зону проводимости n-области.

+U

I

-U

A

Рис. 1.15

При отсутствии внешнего смещения встречные потоки дырок и электронов будут равны, а результирующий ток через p-n-переход будет равен нулю. При подаче прямого смещения на p-n-переход, зона проводимости n-области сместится вверх и заполненные уровни n-области окажутся напротив свободных уровней валентной зоны p-области (рис. 1.16, б). Вероятность перехода электронов из зоны проводимости n-области в p-область увеличивается, а вероятность перехода дырок из валентной зоны p-области уменьшается. В результате через p-n-переход потечет прямой ток, увеличивающийся с ростом прикладываемого напряжения и достигающий максимума, когда заполненная часть зоны проводимости n-области будет располагаться напротив незаполненной части валентной зоны (рис. 1.16, б).

При дальнейшем увеличении прямого смещения перекрытия этих частей зон уменьшается и ток, туннелирования падает до нуля. При U>U_В через p-n-переход протекает обычный диффузионный ток или ток рекомбинации (рис. 1.16, в). При обратном смещении (рис. 1.16, г) туннельный ток возрастает с увеличением напряжения, т.к. всё большее количество электронов из валентной зоны p-области переходит в зону проводимости n-области.

ВАХ туннельного диода показана на рис. 1.17. Участок ОА - нарастание туннельного тока, АВ - уменьшение туннельного тока, ВС - диффузионная ветвь ВАХ. На участке отрицательного сопротивления АВ действует положительная обратная связь, по напряжению. Увеличение внешнего напряжения (рис. 1.18) приводит к уменьшению туннельного тока, а следовательно увеличению сопротивлению туннельного диода. Вследствие перераспределения внешнего напряжения, падение напряжения на диоде U­₀ увеличится, что приводит к ещё большему увеличению сопротивления.

Туннельные диоды обладают высоким быстродействием (время переключения единицы наносекунд). Различают усилительные, генераторные и переключающиеся туннельные диоды. Усилительные применяются в усилителях и гетеродинах приёмных устройств, в схемах детекторов и смесителей диапазона СВЧ. Генераторные – в СВЧ генераторах диапазона волн 1-10 см. Переключательные применяются в импульсных схемах наносекундного диапазона.

Обращенный переключающий диод. Уменьшением концентрации примеси в n-области туннельного диода, уменьшает прямой туннельный ток до такой степени, что участок отрицательного сопротивления исчезает (рис. 1.19). Обратный ток остается достаточно большим, т.к. определяется электронами туннелирующими из p-области в n-область. Такой диод по виду ВАХ подобен обычному, у которого прямая и обратная ветви поменяны местами. Преимуществами обращенного диода является малое падение напряжения в пропускном направлении при сохранении высокочастотных устройств туннельного диода. Недостаток - малая допустимая величина прямого напряжении в запирающем направлении.

	EC
		n^+

U=0

p⁺

E_C

E_Fn

0<U<U_B

E_C

E_Fp

E_V

E_F

E_V

E_V

E_C

E_F

E_V

E_V

E_C

E_Fn

E_C

E_Fn

U>U_B

E_Fp

E_V

E_C

г)

E_Fp

E_V

E_C

E_V

в)

а)

б)

	Рис. 1.16

U

B

A

U_B

U_m

C

I_об

- U

I_min

I_max

I_ПР

Рис.1.17

U_Д

U

R

Рис. 1.18

I_пр

U

I_об

Рис. 1.19

	C, пФ

U, В

Рис. 1.20

Дата добавления: 2014-01-07