§ 27. Туннельные диоды

В большой семье полупроводниковых приборов имеется группа приборов, у которых на определенном участке вольт-амперной характеристики увеличение напряжения (ΔU > 0) сопровождается не ростом, а падением силы тока (ΔI < 0). Такие участки вольт-амперной характеристики соответствуют отрицательному сопротивлению:

Наиболее распространенными и, пожалуй, наиболее интересными из всех приборов с отрицательным сопротивлением являются туннельные диоды. Идея использования туннельного эффекта для создания полупроводникового диода была высказана советскими учеными Я. И. Френкелем и А. Ф. Иоффе еще в 1932 году, но только в 1958 году японским инженером Л. Есаки был создан туннельный диод.

Изготовление туннельных диодов. Как и обычные выпрямительные диоды, туннельный диод может быть получен путем вплавления кусочка металла в пластинку полупроводника, например индия в германий n-типа. Иначе говоря, и для создания туннельного диода необходимо получить p-n-переход. Однако в отличие от изготовления обычных диодов для получения туннельного диода нужно использовать в качестве подложки полупроводник с очень высокой степенью легированности, то есть с очень высокой концентрацией примеси. Если в обычных диодах концентрация примесей в полупроводнике, как правило, не превышает 10¹⁷ см^-3, то концентрация легирующей примеси в полупроводниках, используемых для создания туннельных диодов по порядку величины, равна 10¹⁹-10²⁰ см^-3.

Особенности p-n-перехода между вырожденными полупроводниками. Полупроводники с такой концентрацией примеси, как мы уже видели ранее, являются вырожденными: у них уровни Ферми располагаются в области разрешенных зон (в вырожденном полупроводнике n-типа уровень Ферми лежит в области зоны проводимости, а в вырожденном полупроводнике р-типа - в области валентной зоны). Такое расположение уровней Ферми приводит к возникновению в контакте между вырожденными полупроводниками большой контактной разности потенциалов, превышающей почти вдвое значение контактной разности потенциалов в обычных диодах. Так как в туннельных диодах уровни Ферми лежат вне пределов запрещенной зоны, то у них потенциальный барьер на границе перехода всегда больше ширины запрещенной зоны. На рисунке 77, а приведена зонная схема двух высоколегированных вырожденных полупроводников (n-типа и p-типа) до контакта, а на рисунке 77, б - зонная схема p-n-перехода, образовавшегося после приведения полупроводников в контакт. Из рисунка 77, б видно, что при установлении равновесия между вырожденными n- и р-областями происходит перекрытие зон по внешней шкале энергии: дно зоны проводимости n-полупроводника располагается ниже потолка валентной зоны полупроводника p-типа. Таким образом, электроны, находящиеся, например, вблизи уровня Ферми в n- и p-областях, имеют одну и ту же энергию и переходу их из одной области в другую препятствует лишь зона запрещенных энергий, являющаяся для них некоторым потенциальным барьером.

Рис. 77

Отличительной особенностью p-n-перехода между вырожденными полупроводниками является также его крайне малая толщина d - порядка 10^-6 см. Дело в том, что благодаря высокой плотности свободных носителей их уход даже из небольшого пограничного слоя связан с образованием большого числа нескомпенсированных заряженных донорных и акцепторных примесных центров, достаточного для возникновения равновесного потенциального барьера.

Туннельные переходы электронов в состоянии равновесия. Чрезвычайно малая толщина p-n-перехода в совокупности с перекрытием зон, благодаря которому по обе стороны перехода имеются области с одинаковыми разрешенными энергиями, создают благоприятные условия для туннельных переходов: электроны из зоны проводимости n-области переходят в валентную зону p-области, а электроны из валентной зоны p-области переходят в зону проводимости n-области (см. рис. 77, б). Конечно, для туннельного перехода электрона через барьер из одной области полупроводника в другую необходимо, чтобы по ту сторону барьера, куда переходит электрон, имелись свободные состояния. Но ведь уровень Ферми как раз тем и характеризуется, что вероятность его заполнения равна всего 72. Поэтому для электронов, имеющих энергию, не слишком отличающуюся от энергии Ферми, всегда найдется место за потенциальным барьером p-n-перехода.

При равновесии в отсутствие напряжения смещения число туннельных переходов электронов слева направо равно числу встречных переходов справа налево и суммарный туннельный ток равен нулю. Помимо туннельных переходов, в рассматриваемом диоде, конечно, существуют и надбарьерные переходы основных и неосновных носителей, создающих диффузионный ток и ток проводимости. Но, во-первых, в условиях равновесия и эти токи оказываются одинаковыми и направленными навстречу друг другу, так что в сумме они не дают тока. А во-вторых, в сравнении с числом туннельных переходов число надбарьерных переходов оказывается пренебрежимо малым. Итак, в отсутствие внешнего смещения ток через диод равен нулю, что соответствует началу координат на кривой вольт-амперной характеристики прибора (точка 1 на рисунке 78).

Рис. 78

Поведение туннельного диода при подаче прямого напряжения смещения. Если на диод подать небольшое положительное смещение, то произойдет некоторое смещение энергетических зон, в результате чего потенциальный барьер на границе перехода немного понизится и незаполненная часть валентной зоны полупроводника p-типа разместится напротив заполненной области зоны проводимости n-полупроводника (рис. 79, а). При этом равновесие между туннельными переходами электронов слева направо и справа налево нарушится. Действительно, в области перекрытия заполненных частей зон указанные переходы компенсируют друг друга (пунктирные стрелки на рисунке), но переходы из верхней области заполненной части зоны проводимости n-полупроводника (жирная стрелка) уже не встречают встречного компенсирующего потока, так как расположенная напротив область валентной зоны p-полупроводника практически пуста. Возникающий нескомпенсированный поток электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа приводит к появлению прямого тока через диод (точка 2 на кривой рисунка 78).

Рис. 79

Повышение положительного смещения приводит к все большему перекрытию заполненной области зоны проводимости n-полупроводника с пустой областью валентной зоны полупроводника p-типа, благодаря чему растет и туннельный ток через диод. Максимального значения (точка 3 на рисунке 78) он достигает тогда, когда уровень Ферми n-полупроводника располагается напротив потолка валентной зоны р-области (рис. 79, б).

Дальнейшее повышение прямого напряжения сопровождается уже уменьшением перекрытия заполненной части зоны проводимости полупроводника n-типа и пустой части валентной зоны р-полупроводника, а значит, и ухудшением условий для переходов электронов из n-области в p-область (рис. 79, в). Электронам, расположенным в верхней части заполненной области зоны проводимости n-полупроводника, теперь противостоит зона запрещенных энергий р-полупроводника, из-за чего их переход в p-область становится невозможным. Таким образом, мы приходим к парадоксальному, на первый взгляд, явлению: увеличение разности потенциалов, приложенной к прибору в прямом направлении, сопровождается не увеличением, а уменьшением протекающего через него тока (точка 4 на рисунке 78). На вольт-амперной характеристике диода появляется падающий участок, которому соответствует отрицательное сопротивление.

Уменьшение туннельного тока по мере роста приложенного прямого напряжения будет продолжаться и дальше вплоть до момента, когда дно зоны проводимости полупроводника n-типа окажется на одном уровне с потолком валентной зоны р-полупроводника (рис. 79, г). Туннельные переходы в такой ситуации становятся принципиально невозможными, и туннельный ток падает до нуля (точка 5 на рисунке 78).

Однако, как видно из хода вольт-амперной характеристики (см. рис. 78), ток через диод не только не исчезает, но даже начинает расти по мере увеличения прямого напряжения. Объясняется это тем, что большое прямое напряжение смещения приводит к заметному снижению потенциального барьера на границе перехода. Благодаря этому увеличивается вероятность надбарьерного перехода носителей через границу раздела, то есть появляется возможность для надбарьерной инжекции электронов из n-полупроводника и дырок из р-области (см. рис. 79, г). Возникающий диффузионный ток, как и у обычных диодов, растет по мере увеличения прямого напряжения, все более снижающего потенциальный барьер на границе p-n-перехода (восходящий участок характеристики с точкой 6).

Поведение туннельного диода при подаче обратного напряжения смещения. При включении обратного смещения преимущественными оказываются туннельные переходы электронов из валентной области p-полупроводника в зону проводимости полупроводника n-типа (на рисунке 80 - справа налево). Переходы эти оказываются ничем не ограниченными, и число их растет по мере увеличения обратного напряжения. Этим и объясняется быстрый рост обратного тока через диод (см. на рисунке 78 участок вольт-амперной характеристики с точкой 7).

Рис. 80

Генерирование незатухающих колебаний с помощью туннельного диода. Проиллюстрируем применение туннельных диодов на примере генерирования незатухающих колебаний. Используя отрицательное сопротивление туннельного диода, можно скомпенсировать положительное активное сопротивление какого-либо определенного участка электрической цепи и обеспечить усиление сигнала или генерацию колебаний. Так, если рабочая точка туннельного диода, включенного в цепь постоянного тока последовательно с колебательным контуром (рис. 81), находится на падающем участке вольт-амперной характеристики, то происходит восполнение потерь энергии в колебательном контуре и в нем возникают незатухающие колебания.

Рис. 81

При замыкании ключа K в колебательном контуре возникают свободные колебания с малой амплитудой, которые в отсутствие туннельного диода вскоре бы затухли. Установим напряжение питания U схемы таким, чтобы рабочая точка диода находилась посередине участка отрицательного сопротивления вольт-амперной характеристики. В процессе электрических колебаний в контуре, возникающих после замыкания цепи, полярность точек А и В будет каждые полпериода меняться. Во время одного из полупериодов полярность этих точек окажется такой, как указано на рисунке. В этом случае напряжение, имеющееся на контуре, вычитается из напряжения питания, и общее напряжение прямого смещения на диоде уменьшается. Так как диод в выбранном нами режиме работает на участке отрицательного сопротивления, то уменьшение прямого напряжения смещения вызовет возрастание тока через диод, а следовательно, и во всей цепи. Когда же полярность зажимов контура (во время второго полупериода) станет противоположной, напряжение прямого смещения увеличится, а сила тока в цепи станет меньшей. Таким образом ток в цепи будет пульсирующим. Легко сообразить, что переменная составляющая этого тока совпадает по фазе с колебаниями напряжения на контуре. Это значит, что мощность электрического тока на участке цепи, образованном колебательным контуром, положительна (cos φ = 1) и имеет место непрерывное пополнение энергии в контур. За счет этого амплитуда колебаний в контуре увеличивается. Одновременно растут и потери энергии. Когда наступает равновесие между потерями энергии и ее пополнением, в контуре устанавливаются незатухающие колебания.

Как видно из схемы, генератор незатухающих электрических колебаний на туннельном диоде по своему устройству значительно проще лампового генератора.

В последнее время туннельные диоды нашли широкое применение в электронных вычислительных устройствах и других радиоэлектронных системах, требующих высокого быстродействия. Такое использование туннельных диодов объясняется их исключительно малой инерционностью (туннельный переход электронов через потенциальный барьер происходит всего за 10^-12-10^-14 с). Малая инерционность туннельных диодов позволяет применять их для генерирования и усиления колебаний сверхвысоких частот (вплоть до сотен гигагерц).

Туннельные диоды используются также в качестве быстродействующих переключателей (время переключения может быть доведена до 10^-9 с). В электрической цепи туннельный диод работает как вентиль, который при уменьшении напряжения прямого смещения открывается, а при увеличении этого смещения закрывается.

Обращенные диоды. Интересной разновидностью туннельных диодов являются так называемые обращенные диоды. Для их создания используются полупроводники с несколько меньшей степенью легированности, чем в случае обычных туннельных диодов (концентрация примеси, вводимой в полупроводник в этом случае, составляет примерно 10¹⁸ см^-3). В таких полупроводниках уровни Ферми совпадают с границами разрешенных зон: в n-полупроводнике уровень Ферми совпадает с дном зоны проводимости, а в p-полупроводнике - с потолком валентной зоны. Если рассмотреть контакт таких полупроводников, находящийся в равновесном состоянии, то окажется, что перекрытия энергетических зон не происходит (рис. 82). Поэтому и туннельных переходов через границу раздела областей в отсутствие внешнего напряжения смещения нет. Не появляются они и при наличии прямого напряжения смещения, так как и в этом случае разрешенным энергиям электронов в одной области противостоит зона запрещенных энергий в другой области. По этой причине прямой ток в диоде может быть обусловлен только надбарьерными переходами носителей. А поскольку потенциальный барьер на границе столь высоко легированных полупроводников достаточно велик (как видно из рисунка, он равен ширине запрещенной зоны полупроводника), то и сила прямого тока вплоть до весьма больших значений прямого напряжения смещения оказывается ничтожной (рис. 83). Практически она равна значению диффузионного тока, характерного для туннельных диодов вообще (пунктирная линия на рисунке 78).

Рис. 82

Рис. 83

Подача же на диод внешнего напряжения в обратном направлении приводит к появлению перекрытия разрешенных зон, которое с увеличением этого напряжения растет. При этом появляется возможность для туннельных переходов, число которых неограниченно увеличивается с ростом U_обр, как и в обычных туннельных диодах, из-за чего сила тока в запорном направлении также быстро растет и становится несравненно большей силы тока в прямом направлении. Следовательно, в отношении зависимости проводимости от напряжения смещения свойства таких диодов противоположны свойствам обычных выпрямительных диодов, из-за чего эти диоды получили название обращенных. Они не имеют участка отрицательного сопротивления и поэтому не могут быть использованы для генерирования и усиления колебаний, но применяются в качестве детекторов в области очень высоких частот.