Тема доклада: Диоды Гетероперехода. Диоды Ганна.

Туннельные диоды.

Ниже описаны диоды, работа которых основана на явлении квантовомеханического туннелирования. Первая работа, подтверждающая реальность создания туннельных приборов была посвящена туннельному диоду, называемому также диодом Есаки, и опубликована Л.Есаки в 1958 году. Есаки в процессе изучения внутренней полевой эмиссии в вырожденном германиевом p-n переходе обнаружил "аномальную" ВАХ: дифференциальное сопротивление на одном из участков характеристики было отрицательным. Этот эффект он объяснил с помощью концепции квантовомеханического туннелирования и при этом получил приемлимое согласие между теоретическими и экспериментальными результатами.

В явлении туннелирования главную роль играют основные носители. Время туннелирования носителей через потенциальный барьер не описывается на привычном языке времени пролёта (t = W/v, где W - ширина барьера, v - скорость носителей); оно определяется с помощью вероятности квантовомеханического перехода в единицу времени. Эта вероятность пропорциональна exp[-2k(0)W], где k(0) - среднее значение волнового вектора в процессе туннелирования, приходящееся на один носитель с нулевым поперечным импульсом и энергией, равной энергии Ферми. Отсюда следует, что время туннелирования пропорционально exp[2k(0)W]. Оно очень мало, и поэтому туннельные приборы можно использовать в диапазоне миллиметровых волн.

Ниже в таблице даны названия поддиапазонов СВЧ-диапазона и соответствующие им полосы частот:

Благодаря высокой надёжности и совершенству технологии изготовления туннельные диоды используются в специальных СВЧ-приборах с низким уровнем мощности, таких, как гетеродин и схемы синхронизации частоты. Туннельный диод представляет собой простой p-n переход обе стороны которого вырождены (т.е. сильно легированы примесями). Ниже приведена энергетическая диаграмма туннельного диода, находящегося в состоянии термического равновесия.

В результате сильного легирования уровень Ферми проходит внутри разрешённых зон. Степени вырождения Vp и Vn обычно составляют несколько kT/q, а ширина обеднённого слоя ~ 100 A и меньше, т.е. намного меньше, чем в обычном p-n переходе. На рисунке(а) приведена типичная статическая вольт-амперная характеристика туннельного диода, из которой видно, что ток в обратном направлении (потенциал p-области отрицателен по отношению к потенциалу n-области) монотонно увеличивается. В прямом направлении ток сначала возрастает до максимального значения (пикового значения Ip) при напряжении Vp, а затем уменьшается до минимальной величины Iv при напряжении Vv. При напряжениях, превышающих Vv, ток возрастает с ростом напряжения по экспоненциальному закону. Полный статический ток диода представляет собой сумму тока туннелирования из зоны в зону, избыточного и диффузионного тока.

Отметим, что уровни Ферми проходят внутри разрешенных зон полупроводника, и в состоянии термодинамического равновесия уровень Ферми постоянен по всему полупроводнику. Выше уровня Ферми все состояния по обеим сторонам перехода оказываются пустыми, а ниже уровня Ферми все разрешенные состояния по обеим сторонам перехода заполнены электронами. Поэту в отсутствии приложенного напряжения туннельный ток не протекает.

При подаче напряжения на переход электроны могут туннелировать из валентной зоны в зону проводимости или наоборот.Для протекания туннельного тока необходимо выполнение следующих условий:

  • энергетические состояния на той стороне перехода, откуда туннелируют электроны, должны быть заполнены
  • на другой стороне перехода энергетические состояния с той же энергией должны быть пустыми
  • высота и ширина потенциального барьера должны быть достаточно малыми, чтобы существовала конечная вероятность туннелирования
  • должен сохраняться квазиимпульс

На рисунке показано, как туннелируют электроны из валентной зоны в зону проводимости при обратном напряжении на диоде. Соответствующая величина тока отмечена точкой на вольт-амперной характеристике. При прямом напряжении существует диапазон энергий, при которых состояния в n-области заполнены, а разрешенные состояния в p-области пусты. Естественно, что при этом электроны могут туннелировать из n-области в p-область. При увеличении прямого напряжения число разрешенных пустых состояний в p-области, в которые могут туннелировать электроны из n-области, уменьшается. Если же прямое напряжение имеет такое значение, что зоны "не перекрываются", т.е. эенргия дна зоны проводимости точно совпадает с энергией потолка валентной зоны, то неразрешенные пустые состояния, соответствующие заполненным состояниям, отсутствуют. Следовательно, в этой точке туннельный ток должен исчезать. При дальнейшем увеличении напряжения будет протекать обычный диффузионный ток, который экспоненциально возрастает с ростом напряжения.

Таким образом, следует ожидать, что при увеличении прямого напряжения туннельный ток сначала возрастает от нуля до максимального значения Ip, а затем уменьшается до нуля, когда приложенное прямое напряжение V = Vn + Vp, где Vn - степень вырождения n-области (Vn = (Efn-Ec)/q),а Vp-степень вырождения p-области (Vp = (Ev - Efp)/q). Падающий участок ВАХ соответствует области отрицательного дифференциального сопротивления. Процесс туннелирования может быть прямым и непрямым. Случай прямого туннелирования показан на рисунке 4а, где структура зон в импульсном пространстве E - k в классических точках повората наложена на эенргетическую диаграмму туннельного перехода в координатном пространстве E - x. При такой структуре зон электроны могут туннелировать из окрестности минимума зоны проводимости в окрестность максимума валентной зоны, сохраняя значение импульса.

Следовательно, для того чтобы происходило прямое туннелирование, положения дна зоны проводимости и потолка валентной зоны в пространстве импульсов должны совпадать. Это условие выполняется в полупрводниках с прямой запрещенной зоной (в таких, как GaAs и GaSb). Оно может выполняться также в полупроводниках с непрямой запрещенной зоной ( например, в Ge) при достаточно больших приложенных напряжениях, таких, что максимум валентной зоны находится на одном уровне с непрямым минимумом зоны проводимости.

Назад
  |Содерание|Вверх|  
Вперёд