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.

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

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 p-области) напряжения.

Из-за высокой степени легирования p- и n- областей yровни Ферми ${\displaystyle E_{Fp},}$ ${\displaystyle E_{Fn}}$ лежат внутри разрешённых зон: ${\displaystyle E_{vp}>E_{Fp}}$ и ${\displaystyle E_{Fn}>E_{cn}.}$ На участке напряжений от нуля до ${\displaystyle (E_{vp}-E_{Fp})/q+(E_{Fn}-E_{cn})/q}$ (здесь ${\displaystyle q}$ — элементарный заряд) зона проводимости n-области энергетически перекрывается с валентной зоной р-области^[1], то есть оказывается, что ${\displaystyle E_{vp}>E_{cn}.}$ При таких напряжениях туннельный эффект позволяет электронам преодолеть энергетический барьер в области перехода с шириной 50—150 Å, причём вклад в ток дают в основном энергии из пересечения диапазонов ${\displaystyle E_{cn}\ldots E_{vp}}$ и ${\displaystyle E_{Fp}\ldots E_{Fn}}$ (большинство состояний в диапазоне ${\displaystyle E_{Fp}\ldots E_{Fn}}$ на одной стороне барьера заполнены электронами, а на другой пусты, что и создаёт условия для переноса электронов). При дальнейшем увеличении прямого напряжения получается ${\displaystyle E_{vp}<E_{cn}}$ и, поскольку энергия электрона при туннелировании должна сохраняться^[2], оно становится невозможным — происходит уменьшение 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 n-области в р-область. Этот процесс, как и в обычном диоде, монотонно усиливается с ростом прямого напряжения и обеспечивает второе поповышение силы тока после спада (см. рисунок).

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^[3].

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^[3]. При этом кристадин и туннельный диод — это разные устройства, и отрицательное дифференциальное сопротивление у них проявляется на разных участках вольт-амперной характеристики^{[источник не указан 1850 дней]}.

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.

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 30…100 ГГц.

• Обращённый диод
• Туннельный эффект

• Елкин С. А. Туннельный диод: оценка, отбор и практическое применение (рус.) // Радиоаматор : журнал. — 2006. — № 4. — С. 26—29.
• Лебедев А. И. Физика полупроводниковых приборов. Физматлит, 2008.
• Поляков Александр Михайлович. § 27. Туннельные диоды // Разгаданный полупроводник. — М.: Просвещение, 1981. — С. 137—145. — 160 с. — (Мир знаний).

• Туннельные и обращенные диоды