Большая советская энциклопедия. Большая энциклопедия нефти и газа

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Федеральное агентство по образованию

Министерство образования и науки Российской Федерации

По нанотехнологиям

«ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД»

Выполнил

Курс 4, очного отделения

Проверил

Туннельный диод, двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, в котором имеется очень узкий потенциальный барьер, препятствующий движению электронов; разновидность полупроводникового диода. Вид вольтамперной характеристики (ВАХ) туннельного диода определяется главным образом квантово-механическим процессом туннелирования, благодаря которому электроны проникают сквозь барьер из одной разрешенной области энергии в другую. Изобретение туннельного диода впервые убедительно продемонстрировало существование процессов туннелирования в твёрдых телах. Создание туннельного диода стало возможно в результате прогресса в полупроводниковой технологии, позволившего создавать полупроводниковые материалы с достаточно строго заданными электронными свойствами. Путём легирования полупроводника большим количеством определённых примесей удалось достичь очень высокой плотности дырок и электронов в р- и n- областях, сохранив при этом резкий переход от одной области к другой. Ввиду малой ширины перехода (50--150 Е) и достаточно высокой концентрации легирующей примеси в кристалле, в электрическом токе через туннельный диод доминируют туннелирующие электроны. При увеличении напряжения смещения до U1 межзонный туннельный ток возрастает. Однако при дальнейшем увеличении напряжения (например, до значения U2) зона проводимости в n-oбласти и валентная зона в р-области расходятся, и ввиду сокращения числа разрешенных уровней энергии для туннельного перехода ток уменьшается -- в результате туннельный диод переходит в состояние с отрицательным сопротивлением. При напряжении, достигшем или превысившем U3, как и в случае обычного р- n-перехода, будет доминировать нормальный диффузионный (или тепловой) ток.

Первый туннельный диод был изготовлен в 1957 из германия; однако вскоре после этого были выявлены др. полупроводниковые материалы, пригодные для получения туннельного диода: Si, InSb, GaAs, InAs, PbTe, GaSb, SiC и др. В силу того что туннельный диод. в некотором интервале напряжений смещения имеют отрицательное дифференциальное сопротивление и обладают очень малой инерционностью, их применяют в качестве активных элементов в высокочастотных усилителях электрических колебаний, генераторах и переключающих устройствах.

1 . Образование р- n -перехода

Контакт двух полупроводников, р- и n- типа называется р-n-переходом. Рассмотрим процессы, проходящие на границе двух полупроводников с разными типами проводимости. Так как концентрация свободных электронов в n-области больше, чем в р-области, электроны из n-области диффундируют в р-область (б). В обратном направлении диффундируют дырки. Попадая в область с противоположной проводимостью, свободные носители заряда рекомбинируют, вследствие чего вблизи контакта наблюдается уменьшение концентрации свободных дырок и электронов. Так как атомные остатки (ионы) в р-области заряжены отрицательно, а в n-типа - положительно, то вблизи границы n-области образуется положительный заряд, а в р-области - отрицательный, т.е. на границе образуется двойной электрический слой (в). Возникающая между двумя областями разность потенциалов препятствует дальнейшей диффузии через границу основных носителей тока, т.е. электронов из n-области и дырок из р-области. Энергия электронов в р-области увеличивается, поэтому границы зоны проводимости и валентной зоны для электронов искривляются - становятся выше, чем в n-области. В то же время, возникшее на границе поле, способствует движению через переход неосновных носителей (электронов из р-области и дырок из n-области). Между основными и неосновными носителями заряда, проходящими через контакт, устанавливается динамическое равновесие.

Образование p-n-перехода при соединении двух полупроводников с разным типом проводимости: а - до контакта между ними, б - в момент контакта, в - равновесное состояние p-n-перехода с двойным электрическим слоем и искривленными границами зоны проводимости и валентной зоны для электронов.

2. Действие внешнего напряжения на p - n -переход в полупроводниках.

При включении контактирующих n- и р-полупроводников во внешнюю цепь источника электрической энергии внешнее электрическое поле, усиливая поле контактного слоя, вызовет движение электронов в n-полупроводнике и дырок в р-полупроводнике в противоположные стороны от контакта. Толщина запирающего слоя и его сопротивление будут возрастать. Такое направление внешнего электрического поля называется запирающим. В этом направлении ток через р-n-переход практически не проходит. При изменении полярности внешнего приложенного напряжения (рис. VII.2.22) внешнее электрическое поле с напряженностью Е внешн направлено противоположно полю контактного слоя. Встречное движение электронов и дырок, перемещающихся под действием внешнего поля из глубины полупроводников к области р-n-перехода, увеличивает число подвижных носителей тока на контакте. Толщина и сопротивление контактного слоя при этом уменьшаются, и в таком пропускном направлении электрический ток проходит через р-n-переход. Вентильное действие р-n перехода аналогично выпрямляющему действию двухэлектродной лампы--диода, и полупроводниковое устройство, содержащее один/два перехода, называется полупроводниковым диодом. Кристаллические триоды, или транзисторы, содержат два р-n-перехода.

Если полупроводник включить в электрическую цепь так, что напряженность внешнего поля будет направлена против напряженности поля на контакте, то динамическое равновесие нарушится и через контакт потечет ток основных носителей (б). Такое включение называется прямым или проводящим. Если направление напряженности внешнего электрического поля совпадает с направлением напряженности поля на границе двух областей, то через полупроводник потечет только небольшой ток неосновных носителей, значение которого мало зависит от приложенного напряжения, так как даже при наличии небольшого поля на границе ток неосновных носителей достигает насыщения. Такое включение называется обратным (а).

Подключение p-n-перехода к источнику внешнего напряжения а - обратное смещение, б - прямое смещение.

3. Действие внешнего напряжения p - n -переходах сильно легированных полупроводников

В туннельном диоде материал должен быть сильно легированным, чтобы уровень Ферми n-области находился в зоне проводимости, а уровень Ферми р-области -- в валентной зоне (а). При таком легировании с концентрацией примеси 10 19 - 10 20 см -3 примесные состояния перестают быть изолированными в кристалле. Они начинают перекрываться с зоной проводимости или валентной зоной: уровень Ферми при этом смещается в одну из зон и газ носителей заряда в этой зоне становится вырожденным. Это приводит не только к очень малой ширине р -- n-перехода (~1 нм), но и к очень важному изменению вольтамперной характеристики диода. Обедненный слой становится настолько тонким, что туннелирование электронов происходит даже при очень небольших смещениях.

Принцип действия туннельного диода. Вследствие сильного легирования уровень Ферми не находится в запрещенной зоне, а -- нулевое смещение; б -- обратное смещение; в -- небольшое прямое смещение; г -- большое прямое смещение.

Рассмотрим сначала случай обратного смещения (б). Если к туннельному диоду приложить обратное напряжение, то электроны из р-области (с энергиями в верхней части валентной зоны, т.е. электроны, образующие ковалентные связи), непосредственно окажутся (и физически, и по энергии) напротив вакантных состоянии n-области, и через переход потечет туннельный ток. Таким образом, в этом случае диод действует как обычный проводник. Подобный эффект имеет место при туннельном пробое в стабилитроне.

Если же к туннельному диоду приложить небольшое прямое напряжение (в), то он будет вести себя как проводник вплоть до некоторого критического напряжения, при котором энергия дна зоны проводимости n-области сравняется с потолком валентной зоны р-области. При этом туннельный эффект прекращается, поскольку для электронов зоны проводимости не оказывается разрешенных энергетических состояний по другую сторону перехода. При прямом напряжении, превышающем напряжение отсечки туннельного тока (г), проводимость, как и в обычном диоде, целиком обеспечивается тепловым возбуждением электронов.

4. Туннельный эффект: свойство волновой функции и проницаемости потенциального барьера

Туннельный эффект -- квантовое явление проникновения микрочастицы из одной классически доступной области движения в другую, отделённую от первой потенциальным барьером. Если рассматривается микрообъект, например, электрон в потенциальной яме, то в отличие от классической механики существует конечная вероятность обнаружить этот объект в запрещенной области пространства, там, где его полная энергия меньше, чем потенциальная энергия в этой точке. Вероятность обнаружения частицы в какой-либо точке пространства пропорциональна квадрату модуля волновой функции ј. При подлёте к потенциальному барьеру частица пройдёт сквозь него лишь с какой-то долей вероятности, а с какой-то долей вероятности отразится. Главная особенность заключается в том, что очень малая величина (постоянная Планка) стоит в знаменателе экспоненты, вследствие чего коэффициент туннелирование через барьер классической частицы большой массы очень мал. Чем меньше масса частицы, тем больше и вероятность туннельного эффекта. Так, при высоте барьера в 2 эВ и ширине 10-8 см вероятность прохождения сквозь барьер для электрона с энергией 1 эВ равна 0,78, а для протона с той же энергией лишь 3,6е10 -19 . Если же взять макроскопическое тело -- шарик массой в 1 г, движущийся по горизонтальной поверхности с очень малой скоростью (кинетическая энергия близка к нулю), то вероятность преодоления им препятствия -- лезвия бритвы толщиной 0,1 мм, выступающего над горизонтальной поверхностью на 0,1 мм, равна 10-26. Прохождение частицы сквозь потенциальный барьер можно пояснить и с помощью соотношения неопределённостей. Неопределённость импульса " р на отрезке х, равном ширине барьера а, составляет: р > а. Связанная с этим разбросом в значениях импульса кинетическая энергия может оказаться достаточной для того, чтобы полная энергия частицы оказалась больше потенциальной.

5. Вольтамперная характеристика туннельного диода

Результирующая вольт-амперная характеристика туннельного диода определяется комбинацией туннельных и тепловых свойств и имеет довольно необычный вид. В той части характеристики, в которой туннелирование заменяется током, обусловленным тепловым возбуждением электронов, с ростом смещения происходит резкое уменьшение тока.

Если прямое напряжение на диоде соответствует максимуму туннельного тока, то диод можно использовать в качестве быстродей-ствующего триггера. В этих условиях даже очень слабый импульс тока через диод будет вызывать мгновенное изменение напряжения на диоде от значения U o до U 1 . Очень высокая скорость, с которой в случае туннельных диодов происходит скачок напряжения (время переключения ~1 нс), обусловлена главным образом чрезвычайно малой шириной р--n-перехода.

Характеристики (ВАХ) типичных туннельных диодов при прямом смещении

Туннельный диод 1И104:

а) вольтамперная характеристика при прямом смещении; б) конструкция туннельного диода

6. Области применения туннельных и обращенных диодов.

Наибольшее распространение на практике получили туннельные диоды из Ge, GaAs, а также из GaSb. В силу того что туннельные диоды в некотором интервале напряжений смещения имеют отрицательное дифференциальное сопротивление и обладают очень малой инерционностью, их применяют в качестве активных элементов в высокочастотных усилителях электрических колебаний, генераторах и переключающих устройствах., они работают на частотах, во много раз превышающих частоты работы тетродов, -- до 30-100 ГГц.

Обращенный диод - это туннельный диод без участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Высокая нелинейность вольтамперной характеристики при малых напряжениях вблизи нуля (зарядка микровольт) позволяет использовать этот диод для детектирования слабых сигналов в СВЧ-диапазоне.

Получение целевых продуктов путем электролиза позволяет сравнительно просто (регулируя силу тока) управлять скоростью и направленностью процесса, благодаря чему можно осуществлять процессы как в самых "мягких", так и в предельно "жестких" условиях окисления или восстановления, получая сильнейшие окислители и восстановители. Путем электролиза производят Н2 и О2 из воды, С12 из водных растворов NaCl, f 2 из расплава KF в KH2F3. Гидроэлектрометаллургия - важная отрасль металлургии цветных металлов (Си, Bi, Sb, Sn, Pb, Ni, Co, Cd, Zn); она применяется также для получения благородных и рассеянных металлов, Мп, Сг. Электролиз используют непосредственно для катодного выделения металла после того, как он переведен из руды в раствор, а раствор подвергнут очистке. Такой процесс называется электроэкстракцией. Электролиз применяют также для очистки металла - электролитического рафинирования (электрорафинирование). Этот процесс состоит в анодном растворении загрязненного металла и в последующем его катодном осаждении. Рафинирование и электроэкстракцию проводят с жидкими электродами из ртути и амальгам (амальгамная металлургия) и с электродами из твердых металлов.

Электролиз расплавов электролитов - важный способ производства многих металлов. Так, например, алюминий-сырец получают электролизом криолит-глиноземного расплава (Na3AlF6 + AI2O3), очистку сырца осуществляют электролитическим рафинированием. При этом анодом служит расплав А1, содержащий до 35% Си (для утяжеления) и потому находящийся на дне ванны электролизера. Средний жидкий слой ванны содержит ВаСЬ, A1F3 и NaF, а верхний - расплавленный рафинированный А1 и служит катодом.

Электролиз расплава хлорида магния или обезвоженного карналлита -наиболее, распространенный способ получения Mg. В промышленном, масштабе электролиз расплавов используют для получения щелочных и щелочноземельных металлов, Be, Ti, W, Mo, Zr, U и других К электролитическим способам получения металлов относят также восстановление ионов металла другим, более электроотрицательным металлом. Выделение металлов восстановлением их водородом также часто включает стадии электролизно-электрохимической. ионизации водорода и осаждение ионов металла, за счет освобождающихся при этом электронов. Важную роль играют процессы совместного выделения или растворения нескольких металлов, совместного выделения металлов и молекулярного водорода на катоде и адсорбции компонентов раствора на электродах. Электролиз используют для приготовления металлических порошков с заданными свойствами.

Другие важнейшие применения электролиза - гальванотехника, электросинтез, электрохимическая обработка металлов, защита от коррозии. Конструкция промышленных аппаратов для проведения электролитических процессов - электролизеров, определяется характером процесса, В гидрометаллургии и гальванотехнике используют преимущественно так называемые ящичные электролизеры, представляющие собой открытую емкость с электролитом, в которой размещают чередующиеся катоды и аноды, соединенные соответственно с отрицательными и положительными полюсами источника постоянного тока. Для изготовления анодов применяют графит, углеграфитовые материалы, платину, оксиды железа, свинца, никеля, свинец и его сплавы; используют малоизнашивающиеся титановые аноды с активным покрытием из смеси оксидов рутения и титана (оксидные рутениево-титановые аноды, или ОРТА), а также из платины и ее сплавов. Для катодов в большинстве электролизеров применяют сталь, в т. ч. с различными защитными покрытиями с учетом агрессивности электролита и продуктов электролиза, температуры и других условий процесса. Некоторые электролизеры работают в условиях высоких давлений, например, разложение воды ведется под давлением до 4 МПа; разрабатываются электролизеры и для более высоких давлений. В современных электролизерах широко применяют пластмассы, стекло и стеклопластики, керамику.

Во многих электрохимических производствах требуется разделение катодного и анодного пространств, которое осуществляют с помощью диафрагм, проницаемых для ионов, но затрудняющих механическое смешение и диффузию. При этом достигается разделение жидких и газообразных продуктов, образующихся на электродах или в объеме раствора, предотвращается участие исходных, промежуточных и конечных продуктов электролиза в реакциях на электроде противоположного знака и в приэлектродном пространстве. В пористых диафрагмах через микропоры переносятся как катионы, так и анионы в количествах, соответствующих числам переноса. В ионообменных диафрагмах (мембранах) происходит перенос либо только катионов, либо анионов, в зависимости от природы входящих в их состав ионогенных групп. При синтезе сильных окислителей используют обычно без-диафрагменные электролизеры, но в раствор электролита добавляют К2Сг207- В процессе электролиза на катоде образуется пористая хромит-хроматная пленка, выполняющая функции диафрагмы. При получении хлора используют катод в виде стальной сетки, на которую наносят слой асбеста, играющий роль диафрагмы. В процессе электролиза рассол подают в анодную камеру, а из анодной камеры выводят раствор NaOH.

Электролизер, применяемый для получения магния, алюминия, щелочных и щелочноземельных металлов, представляет собой футерованную огнеупорным материалом ванну, на дне которой находится расплавленный металл, служащий катодом, Аноды же в виде блоков располагают над слоем жидкого металла. В процессах мембранного получения хлора, в электросинтезе используют электролизеры фильтр-прессного типа, собранные из отдельных рам, между которыми помещены ионообменные мембраны.

По характеру подключения к источнику питания различают монополярные и биполярные электролизеры (см. рис. 2.1). Монополярный электролизер состоит из одной электролитической ячейки с электродами одной полярности, каждый из которых может состоять из нескольких элементов, включенных параллельно в цепь тока. Биполярный электролизер имеет большое число ячеек (до 100-160), включенных последовательно в цепь тока, причем каждый электрод, за исключением двух крайних, работает одной стороной как катод, а другой как анод. Монополярные электролизеры обычно рассчитаны на большой ток и малые напряжения, биполярные - на сравнительно небольшой ток и высокие напряжения. Современные электролизеры допускают высокую токовую нагрузку: монополярные до 400-500 кА, биполярные эквивалентную 1600 кА

Подобные документы

Применение противоточных туннельных сушилок с горизонтально-продольным направлением теплоносителя для сушки кирпича и керамических камней. Вычисление расхода сухого воздуха для теоретического процесса сушки. Построение схемы аэродинамических соединений.

курсовая работа , добавлен 28.02.2012


Общая характеристика ОАО "Гомельский ДСК". Объемно-планировочное и конструктивное решение главного производственного корпуса. Расчет железобетонной ребристой плиты покрытия. Механизация туннельной камеры и проектирование отделочной дисковой машины.

дипломная работа , добавлен 14.04.2015


Измерение рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением как одна из основных задач сканирующего туннельного микроскопа. Модельные виды идеальных твердотельных наноструктур. Характеристика самоорганизованных квантовых точек.

курс лекций , добавлен 18.06.2017


Режимы работы сканирующего туннельного микроскопа. Углеродные нанотрубки, супрамолекулярная химия. Разработки химиков Уральского государственного университета в области нанотехнологий. Испытание лабораторного среднетемпературного топливного элемента.

презентация , добавлен 24.10.2013


Разработка функциональной схемы автоматизированной системы регулирования температуры хлебопекарной печи. Конструкция печи туннельного типа. Анализ принятых инженерно-технических решений, обеспечивающих безопасность при эксплуатации проектируемой системы.

дипломная работа , добавлен 14.12.2013


Характеристика тепловых процессов туннельной печи. Расчет инвестиционных затрат на строительство предприятия. Удовлетворение потребности строительного рынка Казахстана и близлежащих стран СНГ в керамических трубах из экологически чистого местного сырья.

дипломная работа , добавлен 30.01.2015


Определение отклонений от плоскостности. Гидравлические методы измерения плоскостности. Установка диафрагмы в фокальной плоскости объектива. Ослабление излучения лазерного диода в воздушном тракте и его влияние на точность работы измерительной системы.

дипломная работа , добавлен 16.06.2011


Разработка проекта ремонтно-механической мастерской для обслуживания хлебопекарного оборудования. Устройство туннельной печи Sveba Dhalen. Возможные неисправности при эксплуатации тестозакаточной машины Glimek MO-300, карта ее смазки и ремонтный цикл.

презентация , добавлен 16.10.2013


Выбор режима тепловой обработки внутренних стеновых панелей из бетона. Конструктивные особенности, принципы организации теплоснабжения и технико-экономические показатели тепловой установки. Конструктивный и теплотехнический расчет туннельной камеры.

курсовая работа , добавлен 14.05.2012


Принцип действия синхронного генератора. Типы синхронных машин и их устройство. Управление тиристорным преобразователем. Характеристика холостого хода и короткого замыкания. Включение генераторов на параллельную работу. Способ точной синхронизации.

Предложенный в 1958 г. японским ученым Л. Ёсаки туннельный диод изго­товляется из германия или арсенида галлия с высокой концентрацией примесей (1019- 1020 см~3), т.е. с очень малым удельным сопротивлением, в сотни или тысячи раз меньшим, чем в обычных диодах. Такие полупроводники с малым сопротивлением называют вырожденными. Электронно-дырочный переход в вырож­денном полупроводнике получается в десятки раз тоньше (10~6 см), чем в обыч­ных диодах, а потенциальный барьер примерно в два раза выше. В обычных полупроводниковых диодах высота потенциального барьера равна примерно поло­вине ширины запрещенной зоны, а в туннельных диодах она несколько больше этой ширины. Вследствие малой толщины перехода напряженность поля в нем даже при отсутствии внешнего напряжения достигает 106 В/см.

В туннельном диоде, как и в обычном, происходит диффузионное пере­мещение носителей через электронно-дырочный переход и обратный их дрейф под действием поля. Но кроме этих процессов основную роль играет туннель­ный эффект. Он состоит в том, что в соответствии с законами квантовой физики при достаточно малой толщине потенциального барьера имеется воз­можность для проникновения электронов через барьер без изменения их энергии. Такой туннельный переход электронов с энергией, меньшей высоты барьера (в электрон-вольтах), совершается в обоих направлениях, но только при условии, что по другую сторону барьера для туннелирующих электронов имеются сво­бодные уровни энергии. Подобный эффект невозможен с точки зрения класси­ческой физики, в которой электрон рассматривается как частица материи с отри­цательным зарядом, но оказывается вполне реальным в явлениях микромира, подчиняющихся законам квантовой механики, согласно которым электрон имеет двойственную природу: с одной стороны, он является частицей, а с другой сто­роны, он может проявлять себя как электромагнитная волна. Но электромаг­нитная волна может проходить через потенциальный барьер, т. е. через область электрического поля, не взаимодействуя с этим полем.

Процессы в туннельном диоде удобно рассматривать на энергетических диаграммах, показывающих уровни энергии валентной зоны и зоны проводи­мости в п- и р-областях. Вследствие возникновения контактной разности потен­циалов в n-p-переходе границы всех зон в одной из областей сдвинуты отно­сительно соответствующих зон другой области на высоту потенциального барьера, выраженную в электрон-вольтах.

На рис. 8-1 с помощью энергетических диаграмм изображено возникнове­ние туннельных токов в электронно-дырочном переходе туннельного диода. Для того чтобы не усложнять рассмотрение туннельного эффекта, диффузионный ток и ток проводимости на этом рисунке не показаны. Диаграмма рис. 8-1, а соот­ветствует отсутствию внешнего напряжения. Высота потенциального барьера взята для примера 0,8 эВ, а ширина запрещенной зоны составляет 0,6 эВ. Горизон­тальными линиями в зоне проводимости и в валентной зоне показаны энергети­ческие уровни, полностью или частично занятые электронами. В валентной зоне и зоне проводимости изображены также незаштрихованные горизонтальными линиями участки, которые соответствуют уровням энергии, не занятым электро­нами. Как видно, в зоне проводимости полупроводника n-типа и в валентной зоне полупроводника р-типа имеются занятые электронами уровни, соответствующие одинаковым энергиям. Поэтому может происходить туннельный переход электронов из области п в область р (прямой туннельный ток inp) и из области р в область п (обратный туннельный ток /обр). Эти два тока одинаковы по зна­чению, и результирующий ток равен нулю.

На рис. 8-1,6 показана диаграмма при прямом напряжении 0,1 В, за счет которого высота потенциального барьера понизилась на 0,1 эВ и составляет 0,7 эВ. В этом случае туннельный переход электронов из области п в область р усиливается, так как в области р имеются в валентной зоне свободные уровни, соответствующие таким же энергиям, как энергии уровней, занятых электронами в зоне проводимости области п. А переход электронов из валентной зоны области р в область и невозможен, так как уровни, занятью электронами в валентной зоне области р, соответствуют в области п энергетическим уровням запрещен­ной зоны. Обратный туннельный ток отсутствует, и результирующий туннельный ток достигает максимума. В промежуточных случаях, например когда ипр = 0,05 В, существуют и прямой и обратный туннельный токи, но обратный ток меньше прямого. Результирующим будет прямой ток, но он меньше максимального, получающегося при мпр = 0,1 В.

Случай, показанный на рис. 8-1, в, соответствует ипр = 0,2 В, когда высота потенциального барьера стала 0,6 эВ. При этом напряжении туннельный переход невозможен, так как уровням, занятым электронами в данной области, соответ­ствуют в другой области энергетические уровни, находящиеся в запрещенной зоне. Туннельный ток равен нулю. Он отсутствует также и при большем прямом напряжении.

Следует помнить, что при возрастании прямого напряжения увеличивается прямой диффузионный ток диода. При рассмотрен­ных значениях ипр < 0,2 В диффузионный ток гораздо меньше туннельного тока, а при ипр > 0,2 В диффузионный ток возрастает и достигает значений, характерных для прямо­го тока обычного диода.

На рис. 8-1, г рассмотрен случай, когда обратное напряжение мобр = 0,2 В. Высота потенциального барьера стала 1 эВ, и значительно увеличилось число уровней, занятых электронами в валентной зоне р-области и соответствующих свободным уровням в зоне проводимости n-области. Поэтому резко возрастает обратный туннельный ток, который получается такого же порядка, как и ток при прямом напряжении.

Как видно, при u=0 ток равен нулю. Увеличение прямого напряжения до U П В дает возрастание прямого туннельного тока до максимума I п (точка А). Дальнейшее увеличение прямого напряжения до U В В сопровождается уменьшение туннельного тока, поэтому в точке Б получается минимум тока и характеристика имеет падающий участок АБ, для которого R i <0.

После этого участка ток снова возрастает за счёт диффузионного прямого тока, характеристика показана штриховой линией. Обратный ток получается такой же, как прямой, т.е. во много раз больше, нежели у обычных диодов.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода (рис. 8-2) поясняет рас­смотренные диаграммы. Как видно, при и = 0 ток равен нулю. Увеличение прямого напряжения до 0,1 В дает возрастание прямого туннельного тока до максимума (точка А). Дальнейшее увеличение прямого напряжения до 0,2 В сопровождается уменьшением туннельного тока. Поэтому в точке Б получается минимум тока и характеристика имеет падающий участок АБ, для которого характерно отрицательное сопротивление переменному току

Rt = Au/Ai<0. (8-1)

После этого участка ток снова возрастает за счет диффузионного прямого тока, характеристика которого на рис. 8-2 показана штриховой линией. Обратный ток получается такой же, как прямой, т. е. во много раз больше, нежели у обычных диодов.

Основные параметры туннельных диодов - это ток максимума /тах, ток минимума /min (часто указывается отношение 1тлх/1т-1П, которое бывает равно нескольким единицам), напряжение максимума Uх, напряжение минимума U2, наибольшее напряжение L3, соответствующее току /тах на второй восходящей части характеристики (участок БВ). Разность AU = V"3 - U\ называется напря­жением переключения или напряжением скачка. Токи в современных туннельных диодах составляют единицы миллиампер, напряжения - десятые доли вольта. К параметрам также относятся отрицательное дифференциальное сопротивление диода (обычно несколько десятков ом), общая емкость диода (единицы или десятки пикофарад), время переключения тпк и максимальная или критическая частота /тах.

Включая туннельный диод в различные схемы, можно его отрицательным сопротивлением скомпенсировать положительное активное сопротивление (если рабочая точка будет находиться на участке АБ) и получить режим усиления или генерации колебаний. Например, в обычном колебательном контуре за счет потерь всегда имеется затухание. Но с по­мощью отрицательного сопротивления туннельного диода можно уничтожить потери в контуре и получить в нем незатухающие колебания. Простейшая схема генератора колебаний с туннельным диодом показана на рис. 8-3.

Работу такого генератора можно объяснить следующим образом. При вклю­чении питания в контуре LC возникают свободные колебания. Без туннельного диода они затухли бы. Пусть напряжение Е выбрано таким, чтобы диод работал на падающем участке характеристики, и пусть во время одного полупериода переменное напряжение контура имеет полярность, показанную на рисунке зна­ками « + » и « -» без кружков (знаки « + » и « -» в кружках относятся к по­стоянным напряжениям). Напряжение от контура подается на диод и является для него обратным. Поэтому прямое напряжение на диоде уменьшается. Но за счет работы диода на падающем участке ток возрастает, т. е. пройдет допол­нительный импульс тока, который добавит энергию в контур. Если эта допол­нительная энергия достаточна для компенсации потерь, то колебания в контуре станут незатухающими.

Туннельный переход электронов сквозь потенциальный барьер происходит в чрезвычайно малые промежутки времени: 10~12 - 10~14с, т.е. 10~3- 10~5 не. Поэтому туннельные диоды хорошо работают на сверхвысоких частотах. Напри­мер, можно генерировать и усиливать колебания с частотой до десятков и даже сотен гигагерц. Следует заметить, что частотный предел работы туннельных диодов практически определяется не инерционностью туннельного эффекта, а емкостью самого диода, индуктивностью его выводов и его активным сопро­тивлением.

Принцип усиления с туннельным диодом показан на рис. 8-4. Для получения режима усиления необходимо иметь строго определенные значения Е и RH. Сопро­тивление RH должно быть немного меньше абсолютного значения отрицатель­ного сопротивлений диода. Тогда при отсутствии входного напряжения исходная рабочая точка Т может быть установлена на середине падающего участка (эта точка является пересечением линии нагрузки с характеристикой диода). При подаче входного напряжения с амплитудой Umm линия нагрузки будет совер­шать колебания, перемещаясь параллельно самой себе. Крайние ее положения показаны штриховыми линиями. Они определяют конечные точки рабочего участка АБ. Проектируя эти точки на ось напряжений, получаем амплитуду выходного напряжения UmBbn, которое оказывается значительно больше входного. Особенностью усилителя на туннельном диоде является отсутствие отдельных входной и выходной цепей, что создает некоторые трудности при осуществлении схем с несколькими каскадами усиления. Усилители на туннельных диодах могут давать значительное усиление при невысоком уровне шумов и работают устойчиво.

Туннельный диод используется также в качестве быстродействующего пе­реключателя, причем время переключения может быть около 10"9 с, т. е. около 1 не, и даже меньше. Схема работы туннельного диода в импульсном режиме в простейшем случае такая же, как на рис. 8-4, но только входное напряжение представ­ляет собой импульсы, а сопротивление RH должно быть несколько больше абсолютного значения отрицательного сопротивления диода. На рис. 8-5 показан импульсный режим работы туннельного диода. Напряжение питания Е выбрано таким, что при от­сутствии входного импульса диод работает в точке А и ток получается макси­мальным (/тах), т. е. диод открыт. При подаче положительного импульса вход­ного напряжения прямое напряжение на диоде увеличивается и режим работы диода скачком переходит в точку Б. Ток уменьшается до минимального значе­ния /min, что условно можно считать закрытым состоянием диода. А если устано­вить постоянное напряжение £, соответствующее точке Б, то можно переводить диод в точку А подачей импульсов напряжения отрицательной полярности.

Туннельные диоды могут применяться в технике СВЧ, а также во многих импульсных радиоэлектронных устройствах, рассчитанных на высокое быстродей­ствие. Помимо весьма малой инерционности достоинством туннельных диодов является их стойкость к ионизирующему излучению. Малое потребление энергии от источника питания также во многих случаях следует считать достоинством этих диодов. К сожалению, эксплуатация туннельных диодов выявила существен­ный их недостаток. Он заключается в том, что эти диоды подвержены значи­тельному старению, т. е. с течением времени их характеристики и параметры заметно изменяются, что может привести к нарушению нормальной работы того или иного устройства. Надо полагать, что в дальнейшем этот недостаток удастся свести к минимуму.

Если для диода применить полупроводник с концентрацией примеси около 1018 см"3, то при прямом напряжении туннельный ток практически отсутствует и в вольт-амперной характеристике нет падающего участка (рис. 8-6). Зато при обратном напряжении туннельный ток по-прежнему значителен, и поэтому такой диод хорошо пропускает ток в обратном направлении. Подобные диоды, полу­чившие название обращенных, могут работать в качестве детекторов на более высоких частотах, нежели обычные диоды.

Все туннельные диоды имеют весьма малые размеры. Например, они могут быть оформлены в цилиндрических герметичных металлостеклянных корпусах диаметром 3 - 4 мм и высотой около 2 мм. Выводы у них гибкие ленточные. Масса не превышает 0,15 г.

В настоящее время разрабатываются новые типы туннельных диодов, иссле­дуются новые полупроводниковые материалы для них и вопросы замедления старения.

Полупроводниковые диоды.

П.п.диоды – это электропреобразовательный п.п.прибор, с одним выпрямляющим электрическим p-n-переходом и двумя выводами.

Биполярный транзистор.

Биполярные транзисторы – п.п.приборы имеющие 2-а p-n-перехода, используются для усиления, генерации элек-их сигналов.

Полевой транзистор.

Полевые транзисторы – п.п.приборы, в к-ых используются п.п.материалы с различными типами электропроводимостями и к-ые образуют 1-ин p-n-переход. Применяются в качестве усилителей и генераторов на высоких частотах.

Тиристоры.

Тиристоры – п.п.приборы имеющие 3-и или более p-n-переходов и работающих в 2-х устойчивых состояниях (открытом или закрытом). Широко используется в качестве быстродействующих переключателей.

Полупр-ые фотоэлектрические приборы.

П.п.ф.э.приборы – это приборы, в к-ых используется эффект взаимодействия оптического излучения и носителей зарядов. Широко используются в сис-мах автоматики, контр.-измерительн. устр-вах, в сис-мах оптоволоконной техники, в качестве элементов солнечных батарей.

Полупр-ые микросхемы.

П.п.микросхемы – микроэлектронные устр-ва (изделия), предназначенные для преобразования электр. сигналов, все элементы и межэлементные соединения к-ых, выполнены в объёме и на поверхности п.п.кристалла.

Комбинированные неуправляемые приборы.

Комбинированные приборы – представлен различными п.п.приборами объединённые в один корпус. Широко используется в сис-мах автоматики, связи, вычислительной техники.

Диоды.

Выпрямительные диоды – в качестве выпрямления элек. перехода, используется электронно-дырочный переход (p-n-переход).

Полупроводниковые диоды: диоды плоскостные; пл.точечные диоды.

Диоды плоскостные: выпрямительные д., стабилитроны (опорный), туннельный д., варикап, светодиод, обращённый диод, фотодиод, фотоэлементы; плоскостные диоды: выпрямительный диод, сверхчастотные диоды; спец. - диод Шотки.

Стабилитроны. При рассмотрении вольт-амперной характеристики полупроводникового диода видно, что в области электрического пробоя имеется участок, который может быть использован для стабилизации напряжения. Такой участок у кремниевых плоскостных диодов соответствует изменениям обратного тока в широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя, в данном случае в режиме стабилизации, он становится такого же порядка, как и прямой ток. Стабилитроны изготавливаются исключительно из кремния, их также еще называют опорными диодами, т. к. в ряде случаев получаемое от них стабильное напряжение используется в качестве опорного. На рисунке показана ВАХ стабилитрона.

Рис. 6 Вольт-амперная характеристика стабилитрона Из рисунка видно, что при обратном токе напряжение стабилизации меняется незначительно. Стабилитрон работает при обратном напряжении . Принцип работы поясняет простейшая схема включения стабилитрона. Эта схема называется параметрическим стабилизатором напряжения и несмотря на свою простоту используется довольно широко. Такая схема позволяет получить ток в нагрузке в несколько миллиампер.

Рис. 7 Схема включения стабилитрона Нагрузка включена параллельно стабилитрону, поэтому в режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Все изменение входного напряжения будет поглощаться резистором R огр, которое еще называют балластным. Сопротивление этого резика должно быть определенного значения и его обычно рассчитывают для средней точки Т (см. рис. 6). Если входное напряжение будет изменяться, то будет изменяться ток стабилитрона, но напряжение на нем, следовательно и на нагрузке, будет оставаться постоянным. Следует отметить, что если имеют место пульсации входного напряжения, то стабилитрон неплохо сглаживает их. Это объясняется тем, что стабилитрон обладает малым сопротивлением переменному току. Это сопротивление обычно во много раз меньше сопротивления R огр, поэтому основная часть пульсаций поглощается в этом резике, а на стабилитроне и в нагрузке выделяется лишь незначительная часть их. Стабисторы. Это полупроводниковые диоды, аналоги стабилитронов, но в отличие от последних у стабисторов используется не обратное напряжение, а прямое. Значение этого напряжение мало зависит от тока в некоторых пределах. Напряжение стабилизации стабисторов обычно не более 2 вольт, чаще всего 0,7 В при токе до нескольких десятков мА. Особенность стабисторов - отрицательный температурный коэффициент напряжения, т. е. напряжение стабилизации с повышением температуры уменьшается. Поэтому стабисторы применяют также в качестве термокомпенсирующих элементов, соединяя их с обычными стабилитронами, имеющими положительный ТКН. Варикапы. Эти плоскостные диоды, иначе называемые параметрическими, работают при обратном напряжении, от которого зависит барьерная емкость. Другими словами, варикап - это кондер переменной емкости, управляемый не механически, а электрически. Варикапы применяются главным образом для настройки колебательныъх контуров, а также в некоторых спешиал схемах, например, в так называемых параметрических усилителях. Вот простейшая схемка включения варикапа в колебательный контур:

Рис. 8 Схема включения варикапа в колебательный контур в качестве кондера переменной емкости Изменяя с помощью потенциометра R обратное напряжение на варикапе, можно менять резонансную частоту контура. Добавочный резистор R1 с большим сопротивлением включен для того, чтобы добротность контура не снижалась заметно от шунтирующего влияния потенциометра R. Кондер C р является разделительным. Без него варикап был бы для постоянного напряжения замкнут накоротко катушкой L. В качестве варикапов можно использовать стабилитроны с напряжением ниже напряжения стабилизации, когда обратный ток еще очень мал, а обратное сопроивление очень велико. Мы рассмотрели основные типы полупроводниковых диодов. Существуют еще и туннельные диоды, диоды Ганна, фотодиоды и пр. О них будет рассказано в главе о специальных полупроводниковых приборах.

Биполярные транзисторы

П/п прибор с 2-мя и более переходами и с 3-мя и более выводами

Различают транзисторы проводимости:

n-p-n, p-n-p

Режимы работы БТ

1.)Отсечка – оба перехода закрыты, обратно смещены

2.)Насыщения – оба перехода смещены прямо

3.)Активный режим – эммитеры прямо, колектор обратно

4)Активно инверсный – эммитеры обратно, колектор прямо

Активный режим. Физика работы.

Iк=aIэ+Iко Iко-обратный ток колектора,a-коэффициент передачи тока эмитера

Среднее значение выпрямленного напряжения при активной нагрузке (без учета потерь) где U2 - действующее значение напряжения фазы вторичной обмотки трансформатора;- постоянное напряжение при=0. Среднее значение выпрямленного напряжения при активно-индуктивной нагрузкеЗависимости, выраженные формулами (1) и (2), называются регулировочными характеристиками. Максимальное обратное напряжение на тиристореМаксимальное прямое напряжение на тиристоре при активной нагрузкепри активно-индуктивнойВ лабораторном стенде смонтирована двухполупериодная схема выпрямителя на тиристорах с выводом нулевой точки трансформатора. Изменение активного сопротивления нагрузки осуществляется переключателем В3. Включение активной и активно-индуктивной нагрузок осуществляется переключателем В2. Величины среднего значения выпрямленного напряжения и выпрямленного тока измеряются приборами, расположенными на передней панели. Для управления тиристорами применена импульсно-фазовая схема.

Механизм работы и классификация МДП - транзисторов.

МДП - транзисторы отличаются от биполярных транзисторов, поскольку механизм их работы основан на перемещении только основных носителей заряда. В связи с этим их называют униполярными. Эти транзисторы имеют следующие преимущества перед биполярными: малый уровень шумов, большая стойкость к радиационным излучениям, устойчивость от перегрузок по току, высокое входное сопротивление. К недостаткам следует отнести меньшее быстродействие, худшую технологическую воспроизводимость параметров и большую временную нестабильность.

МДП - транзистор имеет четыре электрода, которые называют истоком, стоком, затвором и подложкой (рис. 1, а).

Рис.1. МДП - транзистор с индуцированным каналом p-типа:

Принцип действия МДП-транзистора основан на эффекте изменения электропроводности поверхностного слоя полупроводника между стоком и истоком под действием напряжения, приложенного к управляющему электроду (затвору), отделенному от поверхности полупроводника тонким слоем диэлектрика. Участок полупроводника с изменяющейся электропроводностью называют каналом и изображают на чертежах в виде скрещенных тонких линий.

Существуют две разновидности МДП - транзисторов: с встроенным каналом и с индуцированным каналом. В МДП - транзисторе с индуцированным каналом (рис. 1, а и рис. 2, а) при нулевом напряжении на затворе канал отсутствует.

Рис. 2. МДП - транзистор с индуцированным каналом n-типа:

а – упрощенная конструкция; б – условное обозначение.

Если увеличивать напряжение на затворе (по модулю), то при некотором значении напряжения затвор - исток U0, называемом пороговым напряжением, на поверхности полупроводника будет индуцироваться инверсный слой, электропроводность которого совпадает с электропроводностью истока и стока. В результате образования этого слоя, области стока и истока оказываются соединенными тонким токопроводящим каналом, и во внешней цепи возникает ток.

Структура МДП - транзистора с встроенным каналом такова, что создание канала в тонком приповерхностном слое полупроводника предусматривается самой технологией производства. Поэтому конструкция такого транзистора будет отличаться от конструкций, представленных на рис. 1, а и рис. 2, а, изображением нижней границы канала сплошной линией. Электропроводность канала обязательно совпадает с электропроводностью стока и истока. Поскольку электропроводность подложки обратна электропроводности канала, области стока, истока и канала отделены от подложки p-n-переходом. Ток в канале такого транзистора может возникать и при нулевом смещении на затворе.

Исток и сток в принципе обратимы, и их можно менять местами при включении транзистора в схему. В этом случае при симметричной структуре транзистора его параметры сохраняются, а при несимметричной структуре (сток и исток могут различаться формой, площадями) они будут отличаться.

В связи с тем, что до последнего времени наибольшее применение в цифровых ИМС получили МДП - транзисторы с индуцированным каналом, дальнейшее изложение будет относиться к транзисторам этого типа.

По электропроводности канала различают p-канальные и n-канальные МДП - транзисторы. Упрощенная конструкция этих приборов показана на рис. 1, а и рис. 2, а, а условное обозначение на электрических схемах - на рис. 1, б и рис. 2, б.

Существует классификация МДП - транзисторов по конструктивно-технологическим признакам (чаще по виду материала затвора) (см. §2.3).

Интегральные микросхемы, содержащие одновременно p-канальные и n-канальные МДП - транзисторы, называют комплементарными (сокращенно КМДП - ИМС). КМДП - ИМС отличаются высокой помехоустойчивостью, малой потребляемой мощностью, высоким быстродействием. Эти преимущества, однако, достигаются за счет более сложной технологии с меньшим выходом годных схем.

Основные параметры

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

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 10 17 см -3 , то концентрация легирующей примеси в полупроводниках, используемых для создания туннельных диодов по порядку величины, равна 10 19 -10 20 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.

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).

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).

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).

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.

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 10 18 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).

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.

Двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, в котором имеется очень узкий потенциальный барьер, препятствующий движению электронов; разновидность полупроводникового диода (См. Полупроводниковый диод). Вид вольтамперной характеристики (ВАХ) Т. д. определяется главным образом квантово-механическим процессом туннелирования (см. Туннельный эффект), благодаря которому электроны проникают сквозь барьер из одной разрешенной области энергии в другую. Изобретение Т. д. впервые убедительно продемонстрировало существование процессов туннелирования в твёрдых телах. Создание Т. д. стало возможно в результате прогресса в полупроводниковой технологии, позволившего создавать полупроводниковые материалы с достаточно строго заданными электронными свойствами. Путём легирования полупроводника большим количеством определённых примесей удалось достичь очень высокой плотности дырок и электронов в р - и n- областях, сохранив при этом резкий переход от одной области к другой (см. Электронно-дырочный переход). Ввиду малой ширины перехода (50-150 ?) и достаточно высокой концентрации легирующей примеси в кристалле, в электрическом токе через Т. д. доминируют туннелирующие электроны. На рис. 1 приведены упрощённые энергетические диаграммы для таких р - n - переходов при четырёх различных напряжениях смещения U. При увеличении напряжения смещения до U межзонный туннельный ток (t на рис. 1, б) возрастает. Однако при дальнейшем увеличении напряжения (например, до значения U, рис. 1, в) зона проводимости в n-oбласти и валентная зона в р-области расходятся, и ввиду сокращения числа разрешенных уровней энергии для туннельного перехода ток уменьшается - в результате Т. д. переходит в состояние с отрицательным сопротивлением (См. Отрицательное сопротивление). При напряжении, достигшем или превысившем U (рис. 1, г), как и в случае обычного р - n-перехода, будет доминировать нормальный диффузионный (или тепловой) ток.
Первый Т. д. был изготовлен в 1957 из Германия; однако вскоре после этого были выявлены др. полупроводниковые материалы, пригодные для получения Т. д.: Si, InSb, GaAs, InAs, PbTe, GaSb, SiC и др. На рис. 2 приведены ВАХ ряда Т. д. В силу того что Т. д. в некотором интервале напряжений смещения имеют отрицательное дифференциальное сопротивление и обладают очень малой инерционностью, их применяют в качестве активных элементов в высокочастотных усилителях электрических колебаний, генераторах и переключающих устройствах.
Л. Эсаки.
От редакции. Т. д. был предложен в 1957 лауреатом Нобелевской премии Л. Эсаки, поэтому Т. д. называют также диодом Эсаки
Лит.: Esaki L., New phenomenon in narrow germanium р - n junctions, «Physical Review», 1958, v. 109, № 2; его же, Long journey into tunnelling, «Reviews of modern Physics», 1974, v. 46, № 2.
Рис. 1. Энергетические диаграммы электронно-дырочного перехода туннельного диода при различных напряжениях смещения (О Рис. 2. Вольтамперные характеристики (ВАХ) туннельных диодов на основе Ge (1), GaSb (2), Si (3) и GaAs (4): U - напряжение смещения на туннельном диоде; I/I m - отношение тока через диод к току в максимуме ВАХ.