Туннельный эффект, туннельный диод
Обращенный диод.
Обращенный диод — это разновидность туннельного диода. Вольтамперная характеристика для германиевого диода приведена на рис. 7.
Подобная характеристика получится, если концентрации примесей в материале диода подобрать так, чтобы границы зон не перекрывались, а совпадали, т. е. при отсутствии внешнего смещения дно зоны проводимости электронного полупроводника находилось на одном уровне с потолком валентной зоны дырочного полупроводника. Очевидно, это будет при концентрациях примесей несколько меньших, чем для получения туннельного диода. При таком расположении зон туннельный эффект при положительных напряжениях смещения будет отсутствовать. При отрицательных напряжениях характеристика будет определяться туннельным эффектом из-за перекрытия зон. Как видно из вольтамперной характеристики, обращенный диод имеет ярко выраженные нелинейные свойства, что
дает возможность использовать его для выпрямления малых сигналов. Однако в отличие от всех других полупроводниковых диодов он будет проводящим при отрицательных смещениях, что и послужило основанием назвать его обращенным диодом.
Сравнивая этот диод с лучшими обычными диодами, можно увидеть, что в пропускном направлении (когда к p-n-переходу приложено напряжение отрицательной полярности) он имеет низкое сопротивление уже при малом напряжении на нем, но предельно допускаемое напряжение в запорном направлении (когда к p-n-переходу приложено напряжение положительной полярности), сравнительно невелико (для германиевых диодов—около 0,3 − 0.4 в). Таким образом, обращенный диод имеет в пропускном направлении обратную характеристику туннельного диода, а в запорном — прямую характеристику обычного диода.
Особенность вольтамперной характеристики обращенного диода обусловила ему применение в качестве детектора малого сигнала, более эффективного, чем на обычных диодах, а также в качестве нелинейного элемента связи при каскадировании импульсных схем на туннельных диодах.
Следует отметить, что из-за слабого вырождения или даже его отсутствия, температурный диапазон работы обращенного диода уже, чем у туннельного диода. Особенность обращенного диода состоит также и в том. что, меняя степенью легирования величину перекрытия зон, можно получать диоды с малой величиной (менее 100 мка) пикового туннельного тока (штрих на рис. 7), которые могут быть использованы в чувствительных токовых устройствах.
Методы изготовления туннельных диодов.
Рассмотрев физику работы туннельного диода, можно сформулировать следующие требования, которым должен отвечать p-n-переход, предназначенный для работы в качестве туннельного диода.
Во-первых, переход от материала электронной проводимости к материалу с дырочной проводимостью должен быть очень резким, так как толщина переходного слоя должна быть малой, около 100 A°, чтобы повысить вероятность туннельного эффекта.
Во-вторых, переход должен быть образован вырожденными полупроводниками, чтобы обеспечить перекрытие зон.
Первое из этих требований предполагает применение особой технологии получения p-n-перехода, в то время как для выполнения второго требования необходимо применять сильнолегированный материал.
В настоящее время туннельные диоды можно изготавливать двумя методами: сплавлением и выращиванием из газовой фазы. Оба метода позволяют получить резкое распределение примесей в переходе и сильнолегированные области материала. Метод сплавления наиболее прост, поэтому и шире распространен для получения туннельных диодов. Температурный режим плавки имеет ряд особенностей, которые предотвращают диффузию примесей при сплавлении. Точечное сплавление может быть осуществлено и с помощью лазерного источника света с узким пучком большой мощности.
Второе требование выполняется добавлением в материал легирующих примесей, обладающих большой растворимостью в твердой фазе полупроводника. Из-за высокого значения критической концентрации примесей, при которой наступает вырождение (для германия —около 2·1019 см−3, для кремния — около 6·1019 см−3), металлы, применяемые для легирования обычных p-n-переходов, не могут быть использованы ввиду своей ограниченной растворимости. Наилучшими донорами для германия являются фосфор и мышьяк, а акцепторами — галлий и алюминий. Для кремния лучшими акцепторами будут бор и галлий, а донорами — мышьяк, фосфор и сурьма. Следует отметить, что и эти примеси имеют предельную концентрацию растворения (около 1020 — 1021 см−3). В качестве исходного вещества допускается использование и поликристаллического материала. При этом наблюдается некоторое ухудшение характеристик туннельного диода по сравнению с диодами из монокристаллов.
Параметры туннельного диода и их определение.
Основные параметры туннельного диода и его эквивалентная схема.
Большинство основных электрических параметров туннельного диода определяется из его вольтамперной характеристики (см. рис. 8):
I1 — максимальный туннельный ток, или пиковый ток;
I2 — минимальный ток;
ΔI= I1− I1 — перепад токов;
u1 — напряжение, соответствующее максимальному току;
u2 — напряжение, соответствующее минимальному току;
u3 — напряжение, соответствующее диффузионному току, равному току максимума;
Δu= u3 −u1 —скачок напряжения при переходе с туннельной ветви характеристики на диффузионную;
Δu2 ≈u2 — скачок напряжения при переходе с диффузионной ветви на туннельную.
 |
Дополнительные параметры могут быть получены из эквивалентной схемы туннельного диода в области отрицательного сопротивления (рис. 9). Верхняя часть схемы содержит элементы собственно диода, а нижняя — элементы внешней цепи туннельного диода. Здесь R- представляет собой отрицательное сопротивление туннельного диода; С — емкость p-n-перехода, шунтирующая это сопротивление;
r — объемное сопротивление материала прибора; L — индуктивности выводов; rвн, Lвн —элементы, учитывающие параметры внешних проводов и внутренние параметры источника. Следует отметить, что из-за сильного легирования материала время жизни носителей будет очень мало, а значит будет мала и диффузионная емкость. Основную долю емкости C будет составлять емкость p-n-перехода, которая зависит от напряжения на переходе следующим образом:
 |
