Туннельный диод

Тунне́льный дио́д или диод Эсаки (изобретён Лео Эсаки в 1957 году) — полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, на вольт-амперной характеристике которого при приложении напряжения в прямом направлении имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, обусловленный туннельным эффектом.

Устройство 
Туннельный диод представляет собой p-n-переход, обе области в котором имеют предельно сильное, до вырождения, легирование — концентрации доноров  в n-области и акцепторов  в p-области могут превышать 1019 см−3. В качестве полупроводникового материала используются кремний, германий, соединения AIIIBV. Прибор имеет два вывода, которые подключаются к общей цепи тем или иным способом.

Принцип функционирования 

Обычные диоды при увеличении прямого напряжения монотонно увеличивают пропускаемый ток. В туннельном диоде квантовомеханическое туннелирование электронов обеспечивает особенность вольт-амперной характеристики: резкий подъём, а затем спад пропускаемого тока при увеличении прямого («+» на области) напряжения.

Из-за высокой степени легирования  и  областей yровни Ферми ,  лежат внутри разрешённых зон:  и . На участке напряжений от нуля до  (здесь  — элементарный заряд) зона проводимости области энергетически перекрывается с валентной зоной области, то есть оказывается, что . При таких напряжениях туннельный эффект позволяет электронам преодолеть энергетический барьер в области перехода с шириной , причём вклад в ток дают в основном энергии из пересечения диапазонов  и  (большинство состояний в диапазоне  на одной стороне барьера заполнены электронами, а на другой пусты, что и создаёт условия для переноса). При дальнейшем увеличении прямого напряжения получается  и, поскольку энергия электрона при туннелировании должна сохраняться, оно становится невозможным — происходит срыв тока.

Образующаяся область отрицательного дифференциального сопротивления, где увеличение напряжения сопровождается уменьшением силы тока, используется для усиления слабых сверхвысокочастотных сигналов.

Параллельно с туннелированием электронов происходит их заброс по зоне проводимости из области в область. Этот процесс, как и в обычном диоде, монотонно усиливается с ростом прямого напряжения и обеспечивает второй подъём силы тока после спада (см. вольт-амперную характеристику).

История изобретения

«Генерирующий детектор» 
Впервые «генерирующий детектор» — диод, образованный контактом металла с полупроводником и имеющий отрицательное дифференциальное сопротивление — был продемонстрирован Уильямом Экклзом в 1910 году, но в то время не вызвал интереса.

В начале 1920-х годов советский радиолюбитель, физик и изобретатель Олег Лосев независимо от Экклза обнаружил эффект отрицательного дифференциального сопротивления в диодах из кристаллического оксида цинка. Этот эффект получил название «кристадинный» и использовался для генерации и усиления электрических колебаний в радиоприёмниках и передатчиках, но вскоре был вытеснен из практической радиотехники электровакуумными приборами. Механизм возникновения кристадинного эффекта неясен. Многие специалисты предполагают, что он вызван туннельным эффектом в полупроводнике, но прямых экспериментальных подтверждений этого (по состоянию на 2004 год) получено не было. Существуют и другие физические явления, способные послужить причиной кристадинного эффекта. При этом кристадин и туннельный диод — это разные устройства, и отрицательное дифференциальное сопротивление у них проявляется на разных участках вольт-амперной характеристики.

Собственно туннельный диод 
Впервые туннельный диод был изготовлен на основе германия в 1957 году Лео Эсаки, который в 1973 году получил Нобелевскую премию по физике за экспериментальное обнаружение эффекта туннелирования электронов в этих диодах.

Применение 

Наибольшее распространение на практике получили туннельные диоды из Ge, GaAs, а также из GaSb. Эти диоды широко применяются в качестве предварительных усилителей, генераторов и высокочастотных переключателей. Они работают на частотах, во много раз превышающих частоты работы тетродов — до .

См. также 
 Обращённый диод
 Туннельный эффект

Примечания

Литература 
 
 Лебедев А. И. Физика полупроводниковых приборов. Физматлит, 2008.

Ссылки 
 Туннельные и обращенные диоды

Полупроводниковые диоды
Генераторные диоды
Изобретения Японии