Навигация
5. ТУНЕЛЬНИЙ ДІОД
Запропонований в 1958 р. японським ученим Л. Йосаки тунельний діод виготовляється з германію або арсеніду галію з високою концентрацією домішок (1019 — 1020 см-3 ), тобто з дуже малим питомим опором, у сотні або тисячі раз меншим, чим у звичайних діодах. Такі напівпровідники з малим опором називають виродженними. Електронно-дірочний перехід у виродженому напівпровіднику виходить у десятки раз тонше (10-6 см), чому у звичайних діодах, а потенційний бар'єр приблизно у два рази вище. У звичайних напівпровідникових діодах висота потенційного бар'єра рівна приблизно половині ширини забороненої зони, а в тунельних діодах вона трохи більше цієї ширини. Внаслідок малої товщини переходу напруженість поля в ньому навіть при відсутності зовнішньої напруги досягає 106 В/см.
Процеси в тунельному діоді зручно розглядати на енергетичних діаграмах, рівні, що показують, енергії валентної зони й зони- провідності в n- і р- областях. Внаслідок виникнення контактної різниці потенціалів в n-р переході границі всіх зон в одній з областей зрушені щодо відповідних зон іншої області на висоту потенційного бар'єра, виражену в електрон-вольтах.
На мал.3.1-3.4 за допомогою енергетичних діаграм зображене виникнення тунельних струмів в електронно-дірочному переході тунельного діода. Для того щоб не ускладнювати розгляд тунельного ефекту, дифузійний струм і струм провідності на цьому малюнку не показані. Діаграма мал. 3.1 відповідає відсутності зовнішньої напруги. Висота потенційного бар'єра взято для прикладу 0,8 еВ, а ширина забороненої зони становить 0,6 еВ.
Мал. 3.1 Діаграма тунельного діода при відсутності зовнішньої напруги.
Горизонтальними лініями в зоні провідності й у валентній зоні показані енергетичні рівні, повністю або частково зайняті електронами. У валентній зоні й зоні провідності зображені також не заштриховані горизонтальними лініями ділянки, які відповідають рівням енергії, не зайнятим електронами. Як видне, у зоні провідності напівпровідника n- типу й у валентній зоні напівпровідника р-типу є зайняті електронами рівні, відповідні до однакових енергій. Тому може відбуватися тунельний перехід електронів з області n в область р (прямій тунельний струм iпр) і з області р в область n (зворотний тунельний струм iобр). Ці два токи однакові за значенням струм, що й результуючий, дорівнює нулю.
На мал. 3.2 показана діаграма при прямій напрузі 0,1 В, за рахунок якого висота потенційного бар'єра понизилася на 0,1 еВ і становить 0,7 еВ. У цьому випадку тунельний перехід електронів з області n в область р підсилюється, тому що в області р є у валентній зоні вільні рівні, що відповідають таким же енергіям, як енергії рівнів, зайнятих електронами в зоні провідності області n. А перехід електронів з валентної зони області р в область n неможливий, тому що рівні, зайняті електронами у валентній зоні області р, відповідають в області n енергетичним рівням забороненої - зони. Зворотний тунельний струм відсутній, що й результуючий тунельний струм досягає максимуму. У проміжних випадках, наприклад коли Uпр=0,05 В, існують і прямій і зворотний тунельний струми, але зворотний струм менше прямого. Результуючим буде прямий струм, але він менше максимального, що виходить при Uпр= 0,1 В.
Мал. 3.2 Енергетична діаграма тунельного діода при Uпр=0,1 В
Випадок, показаний на мал. 3.3 відповідає Uпр= 0,2 В, коли висота потенційного бар'єра стала 0,6 еВ. При цьому напрузі тунельний перехід неможливий, тому що рівням, зайнятим електронами в даній області, відповідають в іншій області енергетичні рівні, що перебувають у забороненій зоні. Тунельний струм дорівнює нулю. Він отсутствует також і при більшій прямій напрузі. Слід пам'ятати, що при зростанні прямої напруги збільшується прямий дифузійний струм діода. При розглянутих значеннях Uпр=0,2 В дифузійний струм набагато менше тунельного струму, а при Uпр>0,2 В дифузійний струм зростає й досягає значень, характерних для прямого струму звичайного діода.
Мал. 3.3 Енергетична діаграма тунельного діода при Uпр=0,2 В
На мал. 3.4 розглянутий випадок, коли зворотна напруга Uобр=0,2 В. Висота потенційного бар'єра стала 1 еВ, і значно збільшилося число рівнів,зайнятих електронами у валентній зоні р- області й відповідають їхнім вільним рівням у зоні провідності n-області. Тому різко зростає зворотний тунельний струм, який виходить такого ж порядку, як і струм при прямій напрузі.
Вольт-амперна характеристика тунельного діода (мал. 3.5) пояснює розглянуті діаграми. Як видне, при U=0 струм дорівнює нулю. Збільшення прямої напруги до 0,1 В дає зростання прямого тунельного струму до максимуму (крапка А). Подальше збільшення прямої напруги до 0,2 В супроводжується зменшенням тунельного струму. Тому в крапці Б виходить мінімум струму й характеристика має падаючу ділянку АБ, для якого характерно негативний опір змінному струму:
(3.1)
Мал. 3.4 Енергетична діаграма тунельного діода при Uобр=0,2 В.
Мал. 3.5 Вольт-амперна характеристика тунельного діода.
Після цієї ділянки струм знову зростає за рахунок прямого дифузійного струму. Зворотний струм виходить такий же, як прямий, тобто в багато раз більше, ніж у звичайних діодів.
Туннельны діоди можуть використовувати в техніці СВЧ, а також у багатьох імпульсних радіоелектронних обладнаннях, розрахованих на високу швидкодію. Крім досить малої інерційності гідністю тунельних діодів є їхня стійкість до іонізуючого випромінювання. Мале споживання энерги від джерела харчування також у багатьох випадках слід уважати гідністю тунельних діодів. До сожелению, эксплутация цих діодів виявила істотний їхній недолік. Він полягає в тому, що ці иоды піддані значному старінню, тобто із часом їх характеристики й параметри помітно змінюються, що може привести до порушення нормальної роботи того або іншого обладнання.
Усі тунельні діоди мають досить малі розміри. Наприклад, вони можуть бути оформлені в циліндричних герметичних корпусах діаметром 3 – 4 мм і висотою близько 2 мм. Відводи в них гнучкі стрічкові. Маса не перевищує 0,15 г.
Література
1. И.В. Боднарь, Л.Г. Березуцкий «Методическое пособие к лабораторным работам по курсу ФХОМКиТ РЭС и ЭВС». Мн.; БГУИР, 1997 г.
2. И.В. Боднарь, Л.Г. Березуцкий «Методическое пособие для самостоятельной работы студентов по курсу ФХОМКиТ РЭС и ЭВС. Раздел «Контактные явления»». Мн.; БГУИР, 1998 г.
3. Г.И. Епифанов, Ю.А. Мома «Физические основы конструирования и технологии РЭА и ЭВА». М.; «Советское радио», 1979 г.
4. И.П. Жеребцов «Основы электроники». Ленинград, «Энергоатомиздат», 1985 г.
5. В.В. Новиков «Теоретические основы микроэлектроники». М.; «Высшая школа», 1972 г.
6. К.В. Шалимова «Физика полупроводников». М.; «Энергия», 1976 г.
7. Под редакцией Г.Г. Шишкина «Электронные приборы». М.; «Энергоатомиздат», 1989 г.
8. А.А. Штернов «Физические основы конструирования, технологии РЭА и микроэлектроники». М.; «Радио и связь», 1981 г.
Похожие работы
... НВЧ-коливання - діод Ганна. Ефект Ганна був відкритий у 1963 р американським фізиком Дж. Ганном (J. Gunn) у кристалі арсениду галію з електронною провідністю з прикладеним полем Е ~ (2..3) кВ/см. Ефект Ганна полягає у тому, що при досить великій напрузі, прикладеній до напівпровідника, у цьому напівпровіднику виникають НВЧ-коливання. Цей ефект був ретельно досліджений, з'ясовані фі ...
... та контролю температури; германієві та кремнієві площинні діоди. Теоретичні питання знання, яких необхідне для виконання лабораторної роботи: 1. Фізичні процеси, які відбуваються в результаті контакту напівпровідників з різним типом провідності. 2. Електронно-дірковий перехід у рівноважному стані. Енергетична діаграма. 3. Інжекція та екстракція носіїв заряду. 4. Вольт амперна характеристика ( ...
... , у принципі, здатний обробляти інформацію в 2L/L раз швидше в порівнянні зі своїм класичним аналогом. Звідси відразу видно, що маленькі квантові регістри (L<20) можуть служити лише для демонстрації окремих вузлів і принципів роботи квантового комп’ютера, але не принесуть великої практичної користі, тому що не зуміють обігнати сучасні ЕОМ, а коштувати будуть набагато дорожче. 1.3.Принципи ...
... і ключі реалізовані із зворотними зв’язками на діодах Шоткі. Це дозволило значно підвищити швидкодію схем і є зараз основою надвеликих інтегральних схем, які в свою чергу є базою всієї комп'ютерної електроніки. Окрім цього використовуються елементи емітерно-зв’язної логіки (ЕЗЛ) (на основі диференційних каскадів струмових ключів), n-, p- МОН логіка (на польових транзисторах) та комплементарна ...
0 комментариев