Физика туннельного диода
В отличие от обычных полупроводниковых диодов, где общий ток через переход равен сумме потоков электронов из материала n-типа в материал p-типа и дырок из материала p-типа в материал n-типа (встречные потоки носителей противоположного знака) в туннельном диоде общий ток определяется разностью двух потоков электронов Ic→v и Iv→c (встречные потоки носителей одинакового знака).
В отсутствие внешнего смещения эти потоки равны, так как условия перехода электронов в обоих направлениях одинаковы и во внешней цепи ток не протекает. При подаче на переход небольшого положительного смещения увеличивается поток электронов из зоны проводимости электронного полупроводника в валентную зону дырочного полупроводника. Общий ток туннельного диода будет уже отличен от нуля и равен
 |
При перемене полярности напряжения смещения преобладающим станет обратный поток электронов и ток через диод определится как
 |
Основное преимущество туннельного диода перед обычными полупроводниковыми диодами и триодами заключается в его огромном быстродействии, обусловленном высоким частотным пределом. Это связано с двумя особенностями туннельного эффекта. Во-первых, сам туннельный переход электрона через потенциальный барьер p-n-перехода осуществляется за время около 10−13 сек, туннелирование электрона — квантовый процесс, непосредственно не зависящий от температуры. Во-вторых, туннельный диод — это прибор, работающий на основных носителях в отличие от остальных обычных полупроводниковых приборов, работающих на неосновных носителях. На этой особенности прибора необходимо остановиться подробнее.
В обычном полупроводниковом приборе основные носители, пройдя через p-n-переход и попав в материал другого типа проводимости, становятся неосновными для этого материала. Скорость движения неосновных носителей в полупроводниках мала, так как она определяется таким медленным процессом, как диффузия. Например, электроны из зоны проводимости электронного материала, перейдя через p-n-переход, попадут в зону проводимости дырочного материала, где они будут уже неосновными носителями, и дальше будут распространяться со скоростью, определяемой диффузионным механизмом.
Это накладывает ограничения на частотный диапазон работы таких приборов. Стремление к его расширению приводит к необходимости уменьшения продольных размеров прибора, что ведет, в частности, к возрастанию его проходной емкости, влияние которой становится определяющей уже на частотах в десятки мегагерц. Положение несколько улучшено в дрейфовых приборах, где скорость носителей увеличивается благодаря созданию дополнительного дрейфа по полю. Но так как и здесь причина инерционности (работа на неосновных носителях) не устранена, то она начинает сказываться на частотах в сотни мегагерц.
Иначе обстоит дело с туннельным диодом. Здесь электрон из зоны проводимости материала n-типа, пройдя сквозь потенциальный барьер, попадает в валентную зону вырожденного материала p-типа (а не в зону проводимости, как у обычных диодов). Вследствие нахождения уровня Ферми внутри валентной зоны в таком материале проводимость электронная, т. е. по характеру такая же, как проводимость металлов. В этом случае быстродействие прибора будет определяться временем диэлектрической релаксации (спадания) пространственного заряда основных носителей, которое для сильнолегированных полупроводников равно примерно l0−13 − 10−14 сек (tрел =ε0·ε /δ где а—удельная электропроводность).
Таким образом, механизм действия туннельного диода теоретически позволяет ему работать до частот 1013 гц. Практически частотный предел прибора ограничивается техническими и конструктивными параметрами: емкостью p-n-перехода, индуктивностью выводов и сопротивлением потерь, суммирующегося из объемного сопротивления материала и сопротивления выводов. Поэтому расширение частотного диапазона туннельного диода определяется совершенством конструкции,, соответствующей технологией прибора и правильностью выбора материала. Существующие туннельные приборы работают до частот 1010—1011 гц и, учитывая непрерывный прогресс полупроводниковой электроники, можно ожидать дальнейшего расширения частотных возможностей туннельных диодов.
Наряду с высоким частотным диапазоном туннельный диод обладает и другим не менее важным преимуществом перед обычными полупроводниковыми приборами — широким температурным диапазоном работы, что определяется особенностями тех условий, в которых существует туннельный эффект.
С одной стороны, туннельный эффект наблюдается только в переходах, образованных вырожденными полупроводниками, в которых уровень Ферми лежит глубоко в разрешенных зонах и которые будут продолжать сохранять металлический тип проводимости (электронный) почти вплоть до абсолютного нуля. Действительно, туннельные диоды сохраняют свою характеристику вплоть до гелиевых температур (4.7° К).
С другой стороны, собственная проводимость будет неразличима на фоне примесной проводимости до довольно высокой температуры из-за сильного легирования полупроводниковых материалов. Предельная рабочая температура туннельного диода будет определяться типом полупроводникового материала (шириной запрещенной зоны) и степенью его легирования. Так, у германиевых туннельных диодов отрицательный участок сопротивления пропадает при температуре +250° C, у кремниевых—при +400° C, у арсенидгалиевых —при+600°С.
Следует упомянуть и еще об одной особенности туннельного диода, опять определяемой принципом работы прибора. Это малая чувствительность к ядерному облучению (диоды из арсенида галлия выдерживают 1016—1017 нейтронов/см2). Диффузионные же полупроводниковые приборы из-за резкого влияния ядерного облучения на процессы диффузии сильна меняют свои параметры даже при малых дозах радиации. Малая чувствительность туннельных диодов к ядерному облучению в сочетании с возможностью работать при высокой температуре позволяет надеяться на то, что их можно будет использовать непосредственно в аппаратуре, находящейся в горячей зоне. В настоящее время изготавливаются туннельные диоды из «традиционного» германия и кремния, а также из интерметаллических соединений элементов III и V групп таблицы Менделеева, причем последние, более перспективны. Лучшим среди этих материалов для изготовления туннельных диодов сейчас является арсенид галлия (Ga As).
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11