Туннельный диод

   В p-n переходе, образованном двумя областями невырожденного электронного и дырочного полупроводников, ток обусловливается прохождением электронов над потенциальным барьером. В случае вырожденного полупроводника с концентрацией примесей в обеих областях порядка 10¹⁸ - 10²⁰ см^-3 переходный слой будет очень тонкий и возможно прохождение электронов через p-n переход в результате туннельного эффекта, а поэтому вид ВАХ будет принципиально отличаться от обычной диодной характеристики.

   Благодаря возникновению туннельного эффекта наблюдается резкий рост тока при обратной полярности напряжения (к p-области присоединен отрицательный вывод источника), а на участке прямого смещения появляется область отрицательного дифференциального сопротивления. Значительный туннельный ток возникает в p-n переходах толщиной около 10 нм, когда при контактной разности потенциалов около 1 В напряженность поля в переходе приближается к 10⁶ В/см. Такая толщина перехода для большинства полупроводников наблюдается при концентрации примеси, лежащей в указанном выше диапазоне.

Рассмотрим ход ВАХ туннельного диода на различных участках. На рис 1 приведена упрощенная энергетическая диаграмма контакта вырожденных полупроводников при отсутствии внешнего смещения. 

Штриховкой показаны состояния, занятые электронами. Значения  характеризуют степень вырождения соответствующих областей полупроводника и определяют суммарное перекрытие разрешенных энергетических зон. Благодаря наличию такого перекрытия электроны могут переходить из одной области в другую за счет туннелирования сквозь потенциальный барьер. Допустим, что теперь к р-п переходу приложено обратное смеще­ние. В этом случае, как следует из рисунка

 

все энергии в n-области снижаются относительно р-области и поток электронов из р-областив п-область резко возрастает, так как увеличивается количество за­полненных уровней в полупроводнике p-типа, против которых при той же энергии лежат свободные уровни в зоне проводимости мате­риала n-типа. Поток электронов в обратном направлении при этом уменьшится. Суммарный ток электронов обозначен на рисунке стрелкой, этому режиму соответствует точка 2 на ВАХ. Увеличение обратного напряжения сопровождается ростом туннельного тока.

Рассмотрим диод при прямом смещении.

При небольших положительных напряжениях возрастает количество электронов, туннелирующих из n-области в р-область при одновременном снижении встречного потока. Описанному режиму соответствует точка 3 на ВАХ.

 

При дальнейшем повышении прямого напряжения, перекрытие разрешенных зон проходит через максимум и начинает уменьшаться, что ведет за собой снижение туннельного тока. При этом рабочая точка на ВАХ будет перемещаться к точке 4. Увеличение входного напряжения до величины , когда , приведет к уменьшению туннельного тока до нуля.

Однако по мере повышения прямого смещения на р-n переходе высота потенциального барьера понижается и будет возрастать диффузионный ток основных носителей заряда, способных преодолеть снижающийся потенциальный барьер. Ток будет увеличиваться по тому же закону, что и в обычном диоде (точка 5 на ВАХ)

Благодаря наличию участка отрицательного дифференциального сопротивления туннельный диод может быть использован для усиления и геренации колебаний.