Туннельный диод применение. Туннельные диоды. Основные параметры туннельных диодов
Туннельным диодом называют полупроводниковый диод на основе p + -n + перехода с сильнолегированными областями, на прямом участке вольт-амперной характеристики которого наблюдается n-образная зависимость тока от напряжения. На рисунке 4.14 приведена вольт-амперная характеристика типичного туннельного диода при прямом смещении.
Рисунок 1: Схематический символ для обозначения туннельного диода. Нормальный диод перехода использует полупроводниковые материалы, которые легко легируются одним примесным атомом для десятимиллионных полупроводниковых атомов. Этот низкий уровень легирования приводит к относительно широкой области истощения. Проводимость происходит в диоде нормального перехода только в том случае, если приложенное к нему напряжение достаточно велико, чтобы преодолеть потенциальный барьер соединения. Схематические символы означают, что туннельный диод показан на рисунке.
Проанализируем особенности вольт-амперной характеристики туннельного диода. Для этого рассмотрим p + -n + переход, образованный двумя вырожденными полупроводниками.
Если концентрация доноров и акцепторов в эмиттере и базе диода будет N A , N D ~ 10 20 см -3 , то концентрация основных носителей будет много больше эффективной плотности состояний в разрешенных зонах p p0 , n n0 >> N C , N V . В этом случае уровень Ферми будет находиться в разрешенных зонах p + и n + полупроводников.
Основные параметры туннельных диодов
Рисунок 2: Характеристическая кривая туннельного диода. В туннельном диоде полупроводниковые материалы, используемые при образовании перехода, легируются до тысячи атомов примеси для десятимиллионных атомов полупроводника. Это тяжелое легирование создает чрезвычайно узкую зону истощения, подобную той, что находится в диоде Зенера. Также из-за сильного легирования туннельный диод демонстрирует необычную вольт-амперную характеристическую кривую по сравнению с обычным диодом соединения. Характеристическая кривая туннельного диода показана на рисунке.
Рис. 4.14. Туннельный диод 1И104 :
а) вольт-амперная характеристика при прямом смещении; б) конструкция туннельного диода
В полупроводнике n + типа все состояния в зоне проводимости вплоть до уровня Ферми заняты электронами, а в полупроводнике p + -типа - дырками. Зонная диаграмма p + -n + перехода, образованного двумя вырожденными полупроводниками, приведена на рисунке 4.15.
Три наиболее важных аспекта этой характеристической кривой. Прямой ток увеличивается до пика с небольшим приложенным смещением вперед, уменьшением прямого тока с увеличением прямого смещения до минимального тока долины и нормальным увеличением прямого тока с дальнейшим увеличением напряжения смещения. Объяснение того, почему туннельный диод имеет область отрицательного сопротивления, лучше всего понять, используя энергетические уровни, как в предыдущем объяснении эффекта Зенера. Рисунок 3: Энергетическая диаграмма туннельного диода без смещения.
Рис. 4.15. Зонная диаграмма p + -n + перехода в равновесии
С позиции анализа токов для диффузионного тока (прямого) имеет место большая высота потенциального барьера. Чтобы получить типичные значения прямого тока, нужно приложить большое прямое напряжение (больше или примерно равное половине ширины запрещенной зоны E g /2). В выражении для дрейфового тока (обратного) концентрация неосновных носителей p n0 = n i 2 /N D мала и поэтому обратный ток тоже будет мал.
Из-за тяжелого легирования ширина области истощения составляет лишь одну миллионную часть дюйма. На рисунке 3 показана равновесная диаграмма уровня энергии туннельного диода без применения смещения. Большинство электронов и дырок находятся на одном и том же уровне энергии в равновесном состоянии.
Если есть какое-либо движение носителей тока через область истощения из-за тепловой энергии, то чистый ток будет равен нулю, поскольку равное количество несущих тока текут в противоположных направлениях. Рисунок 4: Энергетическая диаграмма туннельного диода с смещением 200 милливольт.
Рассчитаем, чему равна геометрическая ширина вырожденного p-n перехода. Будем считать, что при этом сохраняется несимметричность p-n перехода (p + - более сильнолегированная область). Тогда ширина p + -n + перехода мала:
Дебройлевскую длину волны электрона оценим из простых соотношений:
Таким образом, геометрическая ширина p + -n + перехода оказывается сравнима с дебройлевской длиной волны электрона. В этом случае в вырожденном p + -n + переходе можно ожидать проявления квантово-механических эффектов, одним из которых является туннелирование через потенциальный барьер. При узком барьере вероятность туннельного просачивания через барьер отлична от нуля.
На рисунке 4 показана энергетическая диаграмма туннельного диода с малым смещением вперед. Уклон вызывает неравные уровни энергии между некоторыми из основных носителей в точке перекрытия энергетической зоны, но недостаточно для разности потенциалов, чтобы заставить несущие пересечь запрещенную щель обычным образом. Обратите внимание на рисунке 4, что количество перекрытий между валентной зоной и зоной проводимости уменьшалось при применении прямого смещения. Рисунок 5: Энергетическая диаграмма туннельного диода с смещением 450 милливольт.
Рассмотрим более подробно туннельные переходы в вырожденных p + -n + переходах при различных напряжениях. На рисунке 4.16 показана зонная диаграмма туннельного диода при обратном смещении.
Рис. 4.16. Зонная диаграмма туннельного диода при обратном смещении
При обратном напряжении ток в диоде обусловлен туннельным переходом электронов из валентной зоны на свободные места в зоне проводимости. Поскольку концентрация электронов и число мест велики, то туннельный ток резко возрастает с ростом обратного напряжения. Такое поведение вольт-амперных характеристик резко отличает туннельный диод от обычного выпрямительного диода.
На рис. 5 представлена энергетическая диаграмма туннельного диода, в которой смещение вперед было увеличено до 400 милливольт. Как вы можете видеть, валентная зона и зона проводимости больше не перекрываются в этой точке, и туннелирование больше не может происходить. Часть кривой на рисунке 2 от точки пика до точки долины показывает уменьшающийся ток, который возникает по мере увеличения смещения, а площадь перекрытия становится меньше. По мере того как перекрытие между двумя энергетическими зонами становится меньше, все меньше и меньше электронов могут туннелироваться через соединение.
При прямом напряжении ток в диоде обусловлен туннельным переходом электронов из зоны проводимости на свободные места в валентной зоне. Поскольку туннельные переходы происходят без рассеяния, то есть с сохранением энергии туннелирующей частицы, то на зонной диаграмме эти процессы будут отражены прямыми горизонтальными линиями. На рисунке 4.17 показаны зонные диаграммы туннельного диода при прямом смещении, соответствующие трем точкам на прямом участке вольт-амперной характеристики.
Часть кривой между точкой пика и точкой долины, в которой ток уменьшается по мере увеличения напряжения, представляет собой область отрицательного сопротивления туннельного диода. Область отрицательного сопротивления является наиболее важной и наиболее широко используемой характеристикой туннельного диода. Туннельный диод, смещенный для работы в области отрицательного сопротивления, может использоваться как генератор или усилитель в широком диапазоне частот и приложений. Очень высокочастотные приложения, использующие туннельный диод, возможны, потому что туннельное действие происходит так быстро, что нет эффекта времени транзита и, следовательно, никакого искажения сигнала.
Рис. 4.17. Зонные диаграммы туннельного диода при прямом смещении:
а) участок 1; б) участок 2; в) участок 3
На участке 1 при небольшом прямом напряжении напротив электронов зоны проводимости начинают появляться свободные места в валентной зоне при той же самой энергии. По мере роста напряжения число свободных мест возрастает и ток растет с ростом напряжения. Туннельный ток достигает максимума, когда все свободные места в валентной зоне оказываются по энергии напротив энергетических уровней, занятых электронами в зоне проводимости (участок 2). Затем, по мере роста прямого напряжения, число этих свободных мест начинает уменьшаться, поскольку по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости оказываются состояния в запрещенной зоне (энергетические уровни в идеальных полупроводниках в запрещенной зоне отсутствуют). На участке 3 туннельный ток уменьшается с ростом напряжения и превращается в ноль, когда запрещенная зона p + полупроводника будет находиться по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости.
Туннельные диоды также широко используются в высокоскоростных коммутационных схемах из-за скорости туннелирования. В то время как туннельный диод представляет собой полупроводниковое устройство, использующее те же материалы, что и другие формы диодов и активных устройств, очень высокие уровни легирующей примеси, приводят к тому, что устройства работают совсем по-другому.
Теория устройств показывает, что она не действует как диод, а вместо этого имеет отрицательную область сопротивления в прямом направлении. Характеристическая кривая для туннельного диода показывает площадь отрицательного сопротивления. При прямом смещении ток в диоде поднимается сначала, но позже он может падать с увеличением напряжения, а затем снова снова подниматься.
При дальнейшем росте прямого напряжения появляется компонента обычного диффузионного тока p-n перехода.
Участок 3 на рисунке 4.17 - это участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
Рассмотрим более подробно вольт-амперную характеристику туннельного диода.
Решение уравнения (4.18) для случая прямого смещения имеет следующий вид:
Интересно также отметить, что ток также протекает в обратном направлении - обратное пробивное напряжение фактически равно нулю, а диод - в обратном направлении. Характеристики вблизи оригинала практически симметричны. Причина этого заключается в том, что для формирования общей кривой существует целый ряд различных компонентов.
Это результат того, что можно назвать избыточным током, который возникает в результате туннелирования, хотя и объемных состояний в энергетической щели, и означает, что ток долины не падает до нуля. Эти три основных компонента суммируются вместе, чтобы обеспечить общий уровень тока, проходящего через туннельный диод.
(4.24)
где ε 1 и ε 2 - расстояние от энергии Ферми до дна зоны проводимости или вершины валентной зоны.
Рис. 4.18. Температурные зависимости прямого тока от напряжения в туннельных диодах :
а) германиевый диод 1И403; б) арсенидгаллиевый диод 3И202
Расчет вольт-амперных характеристик туннельного диода по уравнению (4.24) дает хорошее согласие с экспериментом. На рисунке 4.18 приведены температурные зависимости прямого тока от напряжения в туннельных диодах, изготовленных из германия и арсенида галлия. Видно, что у диода с более широкозонным материалом GaAs, чем Ge, минимум тока наблюдается при больших значениях прямого напряжения.
Туннелирование - это эффект, вызванный квантовыми механическими эффектами, когда электроны проходят через потенциальный барьер. Их можно наглядно представить в терминах «туннелирования» через энергетический барьер. Туннелирование происходит только при определенных условиях. Это происходит в туннельных диодах из-за очень высоких уровней легирования.
Для ситуации смещения вперед существует несколько различных областей. Как только эта точка достигнута, выясняется, что количество пустых состояний, доступных для электронов с уровнем энергии, которое они дают при увеличении уровня напряжения, начинает падать. Это означает, что текущий уровень соответствует этому. Общий уровень тока падает относительно быстро, опустившись до нуля.
Отметим, что туннельный диод имеет высокие значения максимальной граничной частоты f max ~ 10 9 Гц, поскольку времена процессов при туннелировании составляют наносекунды, то есть τ min ~ 10 -9 c. По этой причине туннельные диоды используются в СВЧ-технике.
Рассмотрим вольт-амперные характеристики p-n перехода в особом случае, когда энергия Ферми в электронном и дырочном полупроводниках совпадает или находится на расстоянии + kT/q от дна зоны проводимости или вершины валентной зоны. В этом случае вольт амперные характеристики такого диода при обратном смещении будут точно такие же, как и у туннельного диода, то есть при росте обратного напряжения будет быстрый рост обратного тока. Что касается тока при прямом смещении, то туннельная компонента ВАХ будет полностью отсутствовать в связи с тем, что нет полностью заполненных состояний в зоне проводимости. Поэтому при прямом смещении в таких диодах до напряжений, больше или равных половине ширины запрещенной зоны, ток будет отсутствовать. С точки зрения выпрямительного диода вольт-амперная характеристика такого диода будет инверсной, то есть будет высокая проводимость при обратном смещении и малая при прямом. В связи с этим такого вида туннельные диоды получили название обращенных диодов. На рисунке 4.19 приведена вольт-амперная характеристика обращенного диода.
Значения этих напряжений зависят от материала диода, а также от его индивидуальных характеристик. Из значений в таблице видно, что кремний имеет очень низкое значение и, как результат, это означает, что он обычно не является одним из лучших вариантов туннельного диода.
Тоннельный диод не является устаревшим устройством, он имеет большой спектр приложений, если вы знаете, что это такое, как его использовать и для чего он нужен. Прежде всего, туннельный диод - очень полезный кусок устройства, хотя и не широко используется. Хитрость заключается в поддержании диода в области его отрицательной проводимости, в результате чего можно получить усиление слабых сигналов. В последнее время туннельные диоды уступили место новому виду современного устройства, известному как «Резонансный туннельный диод», который в основном используется в высокочастотных методах обнаружения СВЧ-сигналов и т.д.
Рис. 4.19. Вольт-амперная характеристика германиевого обращенного диода ГИ403 :
а) полная ВАХ; б) обратный участок ВАХ при разных температурах
Таким образом, обращенный диод - это туннельный диод без участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Высокая нелинейность вольт-амперной характеристики при малых напряжениях вблизи нуля (порядка микровольт) позволяет использовать этот диод для детектирования слабых сигналов в СВЧ-диапазоне.
Некоторые из уникальных преимуществ туннельных диодов включают в себя его надежную природу и долгую жизнь многих лет, а также ее впечатляющую устойчивость к высоким магнитным полям и ядерному излучению. Еще одной уникальной особенностью является его низкотемпературное использование, что делает его идеальным устройством в низкотемпературных физических приложениях.
Тонкий диод достаточно прочный, но может быть легко поврежден путем перегрева или статического заряда. Тип туннельных диодов называется обратным диодом. Но вы должны знать, что они не полностью туннельные диоды, а работа и дизайн могут отличаться. Нижняя сторона туннельных диодов заключается в том, что их трудно найти в настоящее время.
В отличие от всех остальных полупроводниковых диодов для изготовления туннельных диодов используют вырожденные полупроводники с высокой концентрацией примесей N =10 18 ÷10 20 см −3 . Вследствие чего толщина p-n- перехода оказывается малой порядка 10 −2 мкм. Сквозь такие тонкие потенциальные барьеры возможно туннелирование носителей заряда.
Но помните, что он будет отличаться от устройства к устройству и будет дрейфовать при различных температурах. Также туннельный диод не отключает ток для напряжения ниже напряжения включения. После того, как ток достигнет пикового значения, дальнейшее увеличение напряжения уменьшит ток. Это противоречит большинству устройств. Обычно увеличение напряжения приводит к увеличению тока. Это связано с эффектом туннелирования. Производится изменяющееся сопротивление, которое представляет собой изменение напряжения, деленное на изменение тока.
ВАХ туннельного диода приведена на рис.13. На рисунке отмечены точки, для которых построены зонные диаграммы. Для упрощения рисунков на зонных диаграммах не изображены источники питания.
В диоде без внешнего смещения (точка а) происходит туннелирование электронов из n- области в p- область и обратно. Встречные потоки электронов равны, поэтому суммарный ток через диод равен нулю.
Применение туннельного диода
В области туннелирования это изменение сопротивления отрицательно. Таким образом, мы говорим, что туннельный диод имеет отрицательное сопротивление. Осциллятор представляет собой схему, которая генерирует изменяющуюся во времени повторяющуюся форму волны. Осциллятор релаксации имеет форму волны с острыми краями. Это целевое напряжение никогда не достигается. Форма осциллятора представляет собой напряжение на диоде. Переключатель включается, а ток через диод увеличивается, когда напряжение направляется к целевому напряжению.
При небольшом прямом напряжении на туннельном диоде (точка б) энергия электронов в n- области увеличивается, и уровни энергии смещаются вверх. При этом происходит преимущественное туннелирование электронов из n -области в p - область, кроме того, возникает небольшой диффузионный ток электронов через понизившийся потенциальный барьер.
Из-за положительного изменения тока напряжение на индукторе продолжает увеличиваться. Это зеленый участок кривой. Как только пик диода достигнет пика, напряжение на индукторе будет положительным, что означает, что изменение тока остается положительным. Однако ток не может превысить этот пик. Диод просто входит в отрицательную часть сопротивления с отрицательным наклоном. Но ток через индуктор не может мгновенно измениться с положительного на отрицательное. Единственное, что может случиться, это то, что напряжение скачкообразно скажется на более положительном значении.
При прямом напряжении на диоде U пика (точка в), когда занятые электронами уровни энергии в n -области окажутся на одной высоте со свободными энергетическими уровнями в p -область туннельный ток I пика станет максимальным.
При дальнейшем увеличении прямого напряжения (точка г) туннельный ток будет уменьшаться, ток как из-за смещения уровней энергии уменьшится количество электронов способных туннелировать из n -области в p - область.
Обратите внимание, что для индуктора ток должен быть непрерывным, но напряжение не должно быть. Напряжение на индукторе является целевым напряжением минус напряжение на диоде. После прыжка напряжение на диоде больше целевого напряжения. Следовательно, напряжение на индукторе отрицательное. Таким образом, ток через индуктор должен уменьшаться. Это приводит к красной линии при движении по характеристической кривой.
Ток не может продолжать уменьшаться, когда диод достигает области отрицательного сопротивления. Ток через индуктор не может внезапно перейти от отрицательного к положительному. Таким образом, мы видим скачок напряжения вдоль оранжевой линии. Напряжение диода возвращается туда, где мы начали, и цикл повторяется.
Туннельный ток через диод окажется равным нулю при напряжении U впадины (точка д), когда для свободных электронов в n -области в p - области не окажется свободных энергетических уровней. Однако при этом через диод будет проходить прямой ток I впадины, связанный с диффузией электронов через понизившийся потенциальный барьер.
При обратном напряжении на туннельном диоде (точка ж) снова возникают условия для туннелирования электронов из p -области в n -область. Возникающий при этом обратный ток будет расти по абсолютному значению с ростом по абсолютному значению обратного напряжения. Можно считать, что у туннельного диода происходит туннельный пробой при малых (по абсолютной величине) обратных напряжениях.
Таким образом, в интервале напряжений от U пика до U впадины, туннельный диод обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. Как и всякий прибор с отрицательным дифференциальным сопротивлением туннельный диод может быть использован для генерации и усиления электромагнитных сигналов.
Основные параметры туннельных диодов:
1. Пиковый ток I пика – ток в точке максимума ВАХ, при котором производная . Этот ток может составлять от десятых долей миллиампера до сотен миллиампер.
2. Ток впадины I впадины – ток в точке минимума ВАХ при котором .
3. Отношение токов туннельного диода I пика / I впадины. Для туннельных диодов из арсенида галлия I пика / I впадины ≥10. для германиевых диодов I пика / I впадины =3÷6.
4. Напряжение пика U пика – прямое напряжение соответствующее пиковому току. Для туннельных диодов из арсенида галлия U пика =100÷150мВ, для германиевых диодов U пика =40÷60мВ.
5. Напряжение впадины U впадины – прямое напряжение соответствующее току впадины. Для туннельных диодов из арсенида галлия U впадины =400÷500мВ. для германиевых диодов U впадины =250÷350мВ.
6. Напряжение раствора U рр – прямое напряжение большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому току.
7. Удельная емкость туннельного диода С д /I пика – отношение емкости туннельного диода, измеренной при I пика к пиковому току.
Loading...