9.2. Туннельный диод

Туннельный диод содержит -переход, в котором обе объемные области так сильно легированы примесями, что становятся вырожденными. На рис. 9.1 показана структура

энергетической зоны такого перехода при тепловом равновесии: уровень Ферми лежит выше дна зоны проводимости в -области и ниже верха валентной зоны в -области. Плотности основных носителей в приборе с зонной структурой, показанной на этом рисунке, составляют порядка

Из-за высокой степени легирования примесями ширина перехода в туннельном диоде чрезвычайно узка, порядка

Рис. 9.1. Равновесные энергетические уровни в диоде Исаки. уровень Ферми; зона проводимости и валентная зона, собственный уровень Ферми.

Это сравнимо со средним расстоянием между примесными атомами в кристаллической решетке. Квантовомеханическое исследование показывает, что при этих условиях электроны могут туннелировать через переход из -области в -область, а также в обратном направлении, из -области в -область. Другими словами, волновые функции электронов могут перекрывать область перехода, обусловливая конечную вероятность перехода с одной стороны на другую.

При тепловом равновесии не может быть преимущественного потока носителей заряда через переход и, следовательно, потоки носителей в обоих направлениях должны быть равны. Если к переходу приложено обратное смещение, т. е. такое, которое увеличивает высоту потенциального барьера, ток резко возрастает вследствие усиления потока электронов, проходящих

через переход из валентной зоны -области в зону проводимости -области; то есть, при обратном смещении у туннельного диода имеется нулевое напряжение прибоя Зинера. При прямом смещении, когда высота потенциального барьера становится ниже равновесной, ток сначала монотонно растет с ростом приложенного напряжения. Это происходит вследствие туннелирования электронов с занятых уровней в зоне проводимости -области на вакантные уровни в валентной зоне -области. При дальнейшем возрастании приложенного напряжения ток проходит через максимум, после которого резко спадает; т. е. вольт-амперная характеристика имеет участок с отрицательным сопротивлением.

Рис. 9.2. Типичная вольт-амперная характеристика туннельного диода.

Это происходит потому, что вероятность туннелирования электронов через переход велика только между уровнями одинаковой энергии (т. е. энергия не меняется). Когда под действием прямого смещения валентная зона -области смещается ниже зоны проводимости -области, вероятность туннельного перехода быстро падает и туннельный ток также резко уменьшается. При дальнейшем увеличении напряжения смещения ток проходит через минимум и затем начинает снова расти вследствие тех же механизмов инжекции неосновных носителей и рекомбинации в области обедненного слоя, которые присутствовали в невырожденных -переходах. Схематическое изображение вольт-амперной характеристики туннельного диода представлено на рис. 9.2.

Максимальный: и минимальный токи прямой ветви вольт-амперной характеристики известны как токи пика и провала соответственно. Типичное отношение между ними 10: 1. Минимум наблюдается при значениях приложенного напряжения смещения в диапазоне в зависимости от материала перехода, уровня легирования и температуры. В идеальном переходе ток в области минимума должен быть нулевым, в соответствий с нулевой вероятностью туннелирования но в

действительности наблюдается некоторый избыточный ток. Иошима и Исаки [33] считали, что этот ток обусловлен прямыми и непрямыми туннельными переходами электронов, энергия которых соответствует запрещенной зоне и существование которых связано с примесями и вакансиями в структуре решетки. Избыточный ток изучали Мейерхофер и др. [19] в вырожденных германиевых переходах, Чиновет и др. ([7] - в кремниевых туннельных диодах; Кейн [16] рассмотрел теорию избыточного тока в туннельных переходах.

Особенно интересен характер вольт-амперной характеристики туннельного диода в области отрицательного сопротивления между токами пика и провала. Наклон этой части характеристики может быть очень крутым, соответствующим малому сопротивлению, например I Ом или меньше. Исаки [8], чье имя сейчас связывают с туннельным диодом, был первым, кто наблюдал «аномальное» поведение вольт-амперной характеристики в опытах по изучению внутренней автоэлектронной эмиссии в очень узких терманиевых -переходах. Некоторое время спустя после его первой статьи было сообщено о наблюдении вольт-амперной характеристики того же типа (т.е. имеющей область отрицательного сопротивления при прямых смещениях) в вырожденных кремниевых переходах [9].

По сравнению с инжекцией неосновных носителей туннелирование электронов происходит чрезвычайно быстро, с постоянной времени около Это означает, что диод Исаки можно использовать в быстродействующих переключателях или для высокочастотного (микроволнового) усиления. Фактор ограничивающий быстродействие прибора, — не постоянная времени туннельного перехода, а большая емкость диода, которая оказывается весьма высокой на единицу площади ввиду малой ширины перехода Для достижения быстрого времени переключения площадь перехода должна быть как можно меньше. К счастью, можно изготавливать достаточно малые переходы, в которых рабочий ток не ослабляется до неприемлемо низкого уровня, потому что плотность туннельного тока очень высока.

Кроме кремния и германия, для изготовления туннельных диодов применяется несколько полупроводйиковых соединений типа Сюда относятся, арсенид галлия антимонид индия [2,15] и арсенид индия Эти Материалы привлекли внимание при попытках повысить быстродействие, улучшить шумовые характеристики и уменьшить последовательное сопротивление объемных областей. Например, в переход необходимо охлаждать до температуры жидкого азота для того, чтобы ослабить ток инжекций носителей до Пренебрежимо малого уровня; малая величина запрещенной зоны в этом материале

(0,18 эВ при 300 К) обусловливает относительно низкий потенциальный барьер, который легко преодолевается термически возбужденными носителями при комнатной температуре.