в смежный слои по горизонтали , т. е. не преодолевая потенциального барьера. Это явление обусловлено туннельным эзфектом (§ 2-7), откуда и происходит название диодов.

Ниже мы рассмотрим работу диода, анализируя движение электронов. Поведение дырок совершенно аналогично, а относительная роль обоих типов носителей, как обычно, зависит от степени симметрии диода, т. е. от соотношения

VFp--о->

1=0 а)

(Ui<U<Uz)

-- д)

U>Uz

Рис. 3-9. Энергетические диаграммы туннельного диода на разных участках

характеристики.

с - равновесное состояние; б - обратное включение; в - прямое включение при и < Ui; г - прямое включение при t/i < У < XJi, д ~ прямое включение при V > £/j.

удельных сопротивлений слоев. Распределение электронов по энергиям отражено на рис. 3-9 разными расстояниями между кружками, обозначающими элект роны. Стрелками снабжены те электроны, которые способны перейти в смежный слой тем или иным путем. Результирующий ток через переход оценивается на рис. 3-9 как разность электронных потоков, проходящих из одного слоя в другой.

В равновесном состоянии потоки электронов в обоих направлениях уравновешиваются и ток отсутствует (рис. 3-9, д).

Приложим к диоду внешнее напряжение обратной полярности (т. е. плюсом к п-слою). Энергетическая диаграмма для этого случая показана на рис. 3-9, б. Так как количество электронов с энергией, превышающей уровень Ферми, невелико, то поток электронов из р-слоя в п-слой увеличится, а обратный поток останется почти

неизменным. Следовательно, результирующий ток будет протекать в направлении от п-слоя к р-слою. Этот ток очень быстро возрастает с увеличением обратного напряжения (см. рис. 3-8), поскольку плотность электронов в глубине валентной зоны огромна и малейшее приращение разности р - (рр сопровождается существенным

изменением потока электронов из р-слоя в п-слой.

Теперь приложим к диоду небольшое прямое напряжение. Энергетическая диаграмма для этого случая показана на рис. 3-9, е. Легко заметить, что поток электронов из р-слоя в -слой сильно убывает, а обратный поток меняется сравнительно слабо. Следовательно, результирующий ток протекает в направлении от р-слоя к п-слою и при небольших прямых напряжениях возрастает с увеличением напряжения (рис. 3-8). Граница этого участка приблизительно соответствует диаграмме на рис. 3-9, в, на которой уровень ц>Р совпадает с потолком валентной зоны р-слоя.

При дальнейшем увеличении прямого напряжения поток электронов из п-слоя в р-слой убывает (рис. 3-9, г) и соответственно убывает прямой ток. В результате на вольт-амперной характеристике получается участок с отрицательным сопротивлением (рис. 3-8). Конец этого участка соответствует такому напряжению, при котором потолок валентной зоны в р-слое совпадает с дном зоны проводимости в п-слое. При еще большем напряжении запрещенная зона делается сквозной , туннельный эффект исчезает и ток снова увеличивается, но уже за счет обычного механизма - преодоления электронами потенциального барьера (рис. 3-9, д).

Таким образом, вольт-амперная характеристика туннельного диода (рис. 3-8) складывается из двух частей: туннельной (левее точки 2) и диффузионной (правее точки 2). Последняя, как обычно, обусловлена инжекцией и описывается формулой (2-33). Однако напряжения на диффузионной ветви туннельного диода получаются заметно больше, чем у обычного диода из того же материала. Это объясняется тем, что равновесная высота потенциального барьера у туннельных диодов больше примерно на 2 (фд + Ф ). где фд и Фта - уровни доноров И акцспторов в невырожденном, полупроводнике, отсчитанные соответственно от дна зоны проводимости и потолка валентной зоны. Следует также отметить, что если бы работа туннельного диода строго соответствовала зонным диаграммам на рис. 3-9, то минимальный ток в точке 2 был бы намного меньше, чем это имеет место в действительности. Происхождение избыточного минимального тока приписывают наличию ловушек в запрещенной зоне. Такие ловушки могут обеспечить туннельный эффект даже после образования сквозной запрещенной зоны и тем самым затягивают спадающий туннельный участок характеристики [53].

Статические свойства туннельного диода удобно характеризовать координатами экстремальных точек (/ и 2 на рис. 3-8), а также напряжением в точке 3, соответствующим току Z.

Конструктивные параметры

Собственно диод

Зонные диаграммы показывают, что пиковое напряжение . должно находиться в прямой зависимости от глубины залегания уровней Ферми в слоях. Поэтому оно больше у арсенида галлия, Y которого уровни примесей расположены дальше от краев запрещенной зоны, чем у германия \

Вместе с напряжением Ui возрастает пиковый ток /i, так как крутизна восходящего участка туннельной ветви меняется сравнительно мало. Напряжение провала и диффузионное напряжение Us возрастают с увеличением концентрации примесей и ширины запрещенной зоны. Поэтому арсенидо-галлиевые диоды характерны большим диапазоном токов и напряжений, чем германиевые.

В зависимости от схемы применения желательное значение пикового тока может быть разным. Что касается мнни.мальноготока /j, то он всегда должен быть по возможности малым, с тем чтобы отношение lilh было большим и участок с отрицательным сопротивлением был ярко выражен.

Изменения температуры влияют на статическую характеристику и ее параметры сравнительно слабо, так как оба слоя являются вырожденными полупроводниками - полуметаллами. Однако такое влияние все же имеется, поскольку положение уровней Ферми зависит от температурного потенциала рг- Особенно существенна на практике температурная зависимость пикового тока /j. Опьпг показывает, что эта зависимость может иметь разные знаки при различных концентрациях примесей. Поэтому для ограниченного температурного диапазона можно добиться почти полного постоянства пикового тока. Рабочий диапазон температур, в котором сохраняется отрицательное сопротивление, оказывается весьма широким в связи с использованием вырожденных полупроводников. Для германия максимальная рабочая температура составляет около +200 С, а для арсенида галлия - около 400° С.

Динамические свойства диода ограничены условием сохранения отрицательного сопротивления по отношению к внешней цепи. Рассматривая ту часть эквивалентной схемы диода, которая на рис. 3-10 обведена пунктиром (го - суммарное омическое сопротивление слоев), преобразуя эту часть схемы к виДу R + + jX и полагая R = Q, получаем максимальную рабочую частоту

Рис. 3-10. Эквивалентная схема туннельного диода на участке с отрицательным сопротивлением.

* Кремниевые туннельные диоды со сколько-нибудь удовлетворительными характеристиками пока получить не удается.