Русская Википедия:Туннельный диод
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 AIIIBV. Прибор имеет два вывода, которые подключаются к общей цепи тем или иным способом.
Принцип функционирования
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[1], 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 50—150 Å, 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). При дальнейшем увеличении прямого напряжения получается <math>E_{vp} < E_{cn}</math> и, поскольку энергия электрона при туннелировании должна сохраняться[2], оно становится невозможным — происходит срыв 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 второй подъём силы тока после спада (см. вольт-амперную характеристику).
История изобретения
«Генерирующий детектор»
Впервые «генерирующий детектор» — диод, образованный контактом металла с полупроводником и имеющий отрицательное дифференциальное сопротивление — был продемонстрирован Уильямом Экклзом в 1910 году, но в то время не вызвал интереса[3].
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[3]. При этом кристадин и туннельный диод — это разные устройства, и отрицательное дифференциальное сопротивление у них проявляется на разных участках вольт-амперной характеристикиШаблон:Нет АИ.
Собственно туннельный диод
Впервые туннельный диод был изготовлен на основе германия в 1957 году Лео Эсаки, который в 1973 году получил Нобелевскую премию по физике за экспериментальное обнаружение эффекта туннелирования электронов в этих диодах.
Применение
Наибольшее распространение на практике получили туннельные диоды из Ge, GaAs, а также из GaSb. Эти диоды широко применяются в качестве предварительных усилителей, генераторов и высокочастотных переключателей. Они работают на частотах, во много раз превышающих частоты работы тетродов — до 30…100 ГГц.
См. также
Примечания
Литература
- Шаблон:Статья
- Лебедев А. И. Физика полупроводниковых приборов. Физматлит, 2008.
- Шаблон:Книга
Ссылки
Шаблон:Полупроводниковые диоды
