Туннельный диод

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский Томский Политехнический университет»

Реферат

«Туннельные диоды»

По дисциплине «физические основы электронной техники»

Томск 2011

• Введение
• Основные сведения
• Физика процессов
• Основные параметры туннельных диодов
• Изготовление
• Заключение

Данный реферат представляет собой ознакомительное исследование туннельных диодов. В нем изложены основные данные о работе, изготовлении, применении диодов.

Данная тема является актуальной ввиду широкого использования данного типа диодов.

Основные сведения

Туннельный диод — это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт — амперной характеристике при прямом напряжении участка с отрицательной дифференциальной проводимостью.

На рисунке 1 представлена вольт — амперная характеристика туннельного диода и его конструктивное исполнение:

Рисунок 1

Условное обозначение туннельного диода:

Рисунок 2

Туннельный диод способен усиливать, генерировать и преобразовывать электромагнитные колебания до частот порядка нескольких сотен гигагерц, что соответствует миллиметровому диапазону волн. Его усилительные свойства сохраняются в интервале температур от -200 до +400 ?С. Усилители на туннельных диодах обладают очень высоким коэффициентом усиления и сравнительно низким уровнем шумов.

В области импульсной техники применение туннельных диодов оказалось чрезвычайно перспективным. С их помощью возможно проектировать приборы, обладающие высокой надежностью.

Туннельные диоды широко используются в СВЧ технике, так как способны обеспечивать высокое быстродействие.

Туннельные диоды практически нечувствительны к ядерной радиации, имеют малые размеры, ничтожный вес и потребляют энергию от источников в несколько раз меньшую, чем самые экономичные полупроводниковые приборы.

К отрицательным характеристикам можно отнести быстрое «старение» диода. С течением времени их параметры и характеристики значительно меняются, что может привести к нарушению работы устройства.

Рисунок 3. Внешний вид туннельного диода Открытие туннельного эффекта и изобретение туннельного эффекта принадлежит японскому физику Лео Эсаки. За эти открытие он в 1973 г. Был удостоен Нобелевской премии по физике.

Физика процессов

Работа туннельного диода иллюстрируется диаграммами, изображенными на рисунке 4:

Рисунок 4

В равновесном состоянии системы уровень Ферми постоянен для обеих областей полупроводникового диода, поэтому другие энергетические уровни искривляются настолько сильно, что нижняя граница дна зоны проводимости n — типа оказывается ниже верхней границы потолка валентной зоны области p — типа, и так как переход очень узкий, то носители заряда могут переходить из одной области в другую без изменения энергии, то есть туннелировать (рис. 4, а) В состоянии равновесия потоки носителей из одной области в другую одинаковы, поэтому результирующий ток равен нулю. Вод воздействием внешнего энергетического поля диаграмма изменится. При подключении прямого напряжения уровень Ферми и положение энергетических уровней сместится относительно равновесного состояния в сторону уменьшения потенциального барьера и при этом степень перекрывания между потолком валентной зоны материала p-типа и дном зоны проводимости материала n-типа уменьшится (рис 4, б). При этом в зоне проводимости материала n-типа уровни, заполненные электронами (ниже уровня Ферми) окажутся против незаполненных уровней в валентной зоне материала p — типа, что приведет к появлению тока, обусловленного большим количеством электронов, переходящих из n — области в p — область. Максимальное значение этого тока будет тогда, когда уровень Ферми материала n — типа и потолок валентной зоны материала p — типа будут совпадать (рис 4, в). При дальнейшем увеличении прямого напряжения туннельное перемещение электронов из n — области в p — область начнет убывать (рис 4, г), так как количество их уменьшается по мере уменьшения степени перекрытия между дном зоны проводимости между материалом n — типа и потолком валентной зоны материала p — типа. В точке, где эти уровни совпадают, прямой ток p-n перехода достигнет своего минимального значения (рис 4, д). Затем, когда туннельные переходы станут невозможны, носители заряда будут преодолевать потенциальный барьер за счет диффузии и прямой ток прямой ток начнет возрастать, как у обычных диодов (рис 4, е).

При подаче на туннельный диод обратного напряжения потенциальный барьер начнет возрастать, и энергетическая диаграмма будет иметь вид, показанный на (рис. 4, ж). Так как количество электронов с энергией выше уровня Ферми незначительно, обратный ток будет возрастать в основном за счет электронов туннелирующих из pобласти в n — область, причем, поскольку концентрация электронов в глубине валентной зоны велика, то обратный ток будет возрастать даже при небольшом увеличении обратного напряжения и связанным с ним небольшом смещении энергетических уровней, что приведет к существенному увеличению обратного тока.

Рассмотренные процессы позволяют сделать вывод, что туннельные диоды одинаково хорошо проводят ток при любой полярности приложенного напряжения, то есть они не обладают вентильными свойствами. Более того, обратный ток у них во много раз больше обратного тока других диодов.

Основные параметры туннельных диодов

Основными параметрами являются:

1) Пиковый ток I_П — значение прямого тока в точке максимума вольт — амперной характеристики.

2) Ток впадины I_В — значение прямого тока в точке минимума вольт — амперной характеристики.

3) Отношение токов I_П/ I_В (для туннельных диодов из галлия — мышьяка отношение I_П/ I_В ?10, для германиевых — 3?6).

4) Напряжение пика U_П — значение прямого напряжения, соответствующее пиковому току.

5) Напряжение впадины U_В — значение прямого напряжения, соответствующее току впадины.

6) Напряжение раствора U_pp— значение прямого напряжения на второй восходящей ветви, при котором ток равен пиковому току.

Данные параметры проиллюстрированы на рисунке 5:

Рисунок 5

туннельный диод электромагнитный колебание

Изготовление

Для изготовления туннельных диодов использую полупроводниковый материал с очень высокой концентрацией примесей, вследствие чего получается очень малая толщина p-n перехода (около 10^-2 мкм), что на два порядка меньше, чем в других полупроводниковых диодах. Это сделано с целью уменьшить величину потенциального барьера и сделать таким образом возможным туннелирование электронов.

Равновесная разность потенциалов и ширина обедненного слоя, через который происходит туннелирование, зависят от концентрации дырок и электронов по обе стороны от границы раздела полупроводников p и n типа: чем больше концентрация, тем больше равновесная разность потенциалов и уже высота потенциального барьера. Концентрация электронов и дырок обуславливается количеством введенных в полупроводники примесей. Так, чтобы германий и кремний имели электронную проводимость, в них вводят сурьму, мышьяк или фосфор (доноры), а для придания дырочной проводимости используют индий, галлии, бор (акцепторы).

Рисунок 6. ВАХ для германиевых и кремниевых диодов.

Наиболее распространенным способом изготовления p-n переходов является метод сплавления. Сущность его сводится к тому, что на поверхность пластинки германия, например электронного типа проводимости, толщиной 0,1−0,5 мм наносится капля индия. При температуре порядка 500−600 ?С происходит сплавление индия германием, в результате чего на поверхности германия образуется тонкий слой сплава индий — германий.

У обычных полупроводниковых диодов и транзисторов концентрация электронов и дырок редко превышает 10¹⁷ в см ³. Как уже было отмечено ранее, для обеспечения туннельного эффекта необходимо максимально повысить равновесную разность потенциалов и сузить высоту потенциального барьера. Для этого концентрацию примесей увеличивают до 10¹⁹ — 10²⁰ в см³. Ширина потенциального барьера в таком случае составит 0,01 мк. При таких условиях туннельный ток должен протекать даже без приложенного внешнего напряжения.

Заключение

В данной работе были рассмотрены основные параметры и характеристики туннельных диодов, принцип их работы, перечислены некоторые отличительные свойства.

Основываясь на свойствах туннельных диодов можно утверждать, что они могут быть использованы в качестве усилителей сигнала, быстродействующих переключателей и генераторов.

1) Жеребцов И. П. «Основы электроники» — 5е изд. — Л.: Энергопромиздат. 1989 г. — 352 с.

2) Глазачев А. В., Петрович В. П. «Физические основы электроники» — Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2006 г. — 243 с.

3) Ржевкин К. С. «Туннельный диод» — М.-Л.: Госэнергоиздат, 1962 г. — 24 с.

4) ru.wikipedia.org