Туннельный диод

1) числом электронов  в части зоны проводимости, перекрывающейся с валентной зоной;

2) числом свободных состояний в этом же энергетическом интервале в валентной зоне;

3) вероятностью туннелирования (см. формулу (5а). Если ρ_c(Е) и ρ_v(E)— плотности состояний в зоне проводимости и валентной зоне соответственно, f_c(Е) и f_v(E) — функции распределения Ферми, показывающие вероятность занятия данного состояния электроном. W_c→v , W_v→c — соответственно вероятности туннелирования электронов из зоны проводимости в валентную зону и наоборот, то плотность занятых состояний с энергией Е в зоне проводимости равна произведению плотности состояний на вероятность их заполнения f_c(Е)· f_v(E), а плотность свободных состояний валентной зоны аналогично равна ρ_v(E) ·[1− f_v(E)].

  Тогда туннельный ток I_c→v из зоны проводимости в валентную зону, определяемый произведением трех факторов, приведенных выше, будет равен

где A — константа. Соответствующее выражение может быть получено и при вычислении туннельного тока I_c→v из валентной зоны в зону проводимости

 

  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 I_c→v и I_v→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

считая W_c→v , W_v→c.

  При перемене полярности напряжения смещения преобладающим станет обратный поток электронов и ток через диод определится как

  Подобные выражения были получены Эсаки на основе приведенных качественных рассуждений.

  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 (t_рел =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).

Методы изготовления туннельных диодов.

  Рассмотрев физику  работы туннельного диода, можно  сформулировать следующие требования, которым должен отвечать p-n-переход, предназначенный для работы в качестве туннельного диода.

  Во-первых, переход  от материала электронной проводимости к материалу с дырочной проводимостью должен быть очень резким, так как толщина переходного слоя должна быть малой, около 100 A°, чтобы повысить вероятность туннельного эффекта.

  Во-вторых, переход  должен быть образован вырожденными полупроводниками, чтобы обеспечить перекрытие зон.

  Первое из этих  требований предполагает применение  особой технологии получения p-n-перехода, в то время как для выполнения второго требования необходимо применять сильнолегированный материал.

  В настоящее время туннельные диоды можно изготавливать двумя методами: сплавлением и выращиванием из газовой фазы. Оба метода позволяют получить резкое распределение примесей в переходе и сильнолегированные области материала. Метод сплавления наиболее прост, поэтому и шире распространен для получения туннельных диодов. Температурный режим плавки имеет ряд особенностей, которые предотвращают диффузию примесей при сплавлении. Точечное сплавление может быть осуществлено и с помощью лазерного источника света с узким пучком большой мощности.

  Второе требование выполняется добавлением в материал легирующих примесей, обладающих большой растворимостью в твердой фазе полупроводника. Из-за высокого значения критической концентрации примесей, при которой наступает вырождение (для германия —около 2·10¹⁹ см⁻³, для кремния — около 6·10¹⁹ см⁻³), металлы, применяемые для легирования обычных p-n-переходов, не могут быть использованы ввиду своей ограниченной растворимости. Наилучшими донорами для германия являются фосфор и мышьяк, а акцепторами — галлий и алюминий. Для кремния лучшими акцепторами будут бор и галлий, а донорами — мышьяк, фосфор и сурьма. Следует отметить, что и эти примеси имеют предельную концентрацию растворения (около 10²⁰ — 10²¹ см⁻³). В качестве исходного вещества допускается использование и поликристаллического материала. При этом наблюдается некоторое ухудшение характеристик туннельного диода по сравнению с диодами из монокристаллов.

Параметры туннельного  диода и их определение.

Основные параметры  туннельного диода и его эквивалентная  схема.

 Большинство основных электрических параметров туннельного диода определяется из его вольтамперной характеристики (см. рис. 8):

I₁ — максимальный туннельный ток, или пиковый ток;

I₂ — минимальный ток;

ΔI= I₁₋ I₁ — перепад токов;

u₁ — напряжение, соответствующее максимальному току;

u₂ — напряжение, соответствующее минимальному току;

u₃ — напряжение, соответствующее диффузионному току, равному току максимума;

Δu= u₃ −u₁ —скачок напряжения при переходе с туннельной ветви характеристики на диффузионную;

Δu₂ ≈u₂ — скачок напряжения при переходе с диффузионной ветви на туннельную.

 Производными параметрами являются величина отношения тока максимума к току минимума I₁/I₂ и средняя величина отрицательного сопротивления на падающем участке вольтамперной характеристики туннельного диода.

  Дополнительные параметры могут быть получены из эквивалентной схемы туннельного диода в области отрицательного сопротивления (рис. 9). Верхняя часть схемы содержит элементы собственно диода, а нижняя — элементы внешней цепи туннельного диода. Здесь R_- представляет собой отрицательное сопротивление туннельного диода; С — емкость p-n-перехода, шунтирующая это сопротивление;

r — объемное сопротивление материала прибора; L — индуктивности выводов; r_вн, L_вн —элементы,   учитывающие  параметры внешних проводов и внутренние параметры источника. Следует отметить, что из-за сильного легирования материала время жизни носителей будет очень мало, а значит будет мала и диффузионная емкость. Основную долю емкости C будет составлять емкость p-n-перехода, которая зависит от напряжения на переходе следующим образом:

где Cо — значение емкости при нулевом напряжении на переходе;

       φ_k — контактная разность потенциалов.

  Важным параметром туннельного диода, позволяющим сравнивать приборы, изготовленные из различных материалов, является отношение тока максимума диода к емкости I₁/C, называемым фактором качества. Равноценным обратной величине этого параметра является параметр R₋·C·(C/I₁ = k·R₋·C, где k — постоянная, зависящая от типа материала, k ≈ 0.2 в⁻¹ для германия и

k ≈ 0.5 в⁻¹ для арсенида галлия).

  Числовые значения  этих параметров зависят от  материала, концентрации примесей, конструктивного оформления прибора и лежат в пределах: для  |R₋|=5 — 500 Ом; для C= 1— 200 пф; для L=10⁻⁸ − 10⁻⁹ гн (диоды с гибкими выводами), 10⁻⁹ − lO⁻¹⁰ гн (для диодов в высокочастотных патронах). Величина R может быть уменьшена и до тысячных долей;

ома (разработаны туннельные диоды с пиковым током r. 300 а).

Зависимость параметров от температуры.

  Сильное легирование  материала туннельного диода обеспечивает возможность работы прибора в широком температурном диапазоне. Тем не менее, для правильного конструирования схем с туннельными диодами необходимо знать поведение основных параметров диода при изменении температуры.

  Теоретические исследования показали, а практические опыты подтвердили зависимость температурной стабильности параметров туннельного диода от типа материала и степени его легирования. Поскольку концентрации примесей имеют значительный разброс (даже у приборов одного типа), постольку температурные зависимости могут меняться от диода к диоду и для выявления закономерностей этих зависимостей необходимы массовые испытания.

  Наибольшим исследованиям  подвергались температурные зависимости  тока максимума и минимума вольтамперной характеристики. Характер зависимости тока максимума от температуры определяется типом материала, на основе которого сделан туннельный диод, и степенью его легирования. Вид этой зависимости определяется суммарным влиянием двух факторов, действующих в противоположных направлениях:

   изменение ширины  запрещенной зоны материала, что  приводит к изменению вероятности туннелирования электронов;