|
|
5.3.
Вольт-амперная характеристика туннельного диода
На рис. 5.1а приведена вольт-амперная характеристика туннельного диода. Особенность этой характеристики заключается в следующем. В области обратных напряжений обратный ток растет очень быстро с повышением напряжения, т. е. туннельный диод обладает весьма малым обратным дифференциальным сопротивлением. В области прямых напряжений с увеличением напряжения прямой ток сначала растет до пикового значения при напряжении в несколько десятков милливольт, а затем начинает уменьшаться (участок АВ, в пределах которого туннельный диод обладает отрицательной проводимостью. Ток спадает до минимального значения I2 при напряжении порядка нескольких сотен миливольт, в дальнейшем прямой ток вновь начинает увеличиваться с ростом напряжения.
Заштрихованная область
вольт-амперной характеристики (рис.5.1 а) соответствует так называемому избыточному
току туннельного диода. На этом участке ток туннельного диода определяется суммой
двух токов: прямым туннельным током и током диффузии. Однако многочисленные
экспериментальные исследования показали, что ток I2 реального туннельного диода существенно больше тока
I2 идеализированного туннельного диода. Разность этих
токов называют избыточным током. Установлено, что он в основном зависит от концентрации
технологически неконтролируемых примесей и степени легирования исходного материала,
но окончательно природа избыточного тока неясна.
Дифференциальная проводимость G при изменении смещения от 0 до U3 дважды (в точках, соответствующих напряжениям
U1 и U2) обращается в нуль, т. е. туннельный диод способен
дважды разорвать внешнюю электрическую цепь, превращаясь из пассивного элемента
в активный и наоборот. Это обстоятельство привело к широкому применению туннельных
диодов в импульсной технике.
Ток, протекающий через туннельный диод, содержит пять составляющих:
— туннельный
ток 
, обусловленный туннельным
переходом электронов из валентной зоны p-области
в зону проводимости n-области;
— туннельный
ток 
, обусловленный туннельным
переходом электронов из зоны проводимости n-области
в валентную зону р-области;
— дрейфовый ток неосновных носителей обеих областей через р-п переход Iдр;
— диффузионный ток основных носителей обеих областей через р-n переход Iдиф;
— так называемый
избыточный ток, который можно рассматривать как частный случай тока 
— туннельного перехода
носителей с использованием разрешенных (примесных или дислокационных) уровней
в запрещенной зоне.
Таким образом, результирующий ток через переход
(5.1)
|
а) |
|
|
б) |
|
|
в) |
|
Рис. 5.1. Характеристики
туннельного диода:
Подчеркнем различие между туннельными токами сквозь барьер
и дрейфовым и диффузионным токами через барьер; в первом случае электроны переходят
из валентной зоны одной области в зону проводимости другой области или в обратном
направлении; во втором случае электроны (или дырки) переходят из зоны проводимости
(валентной) одной области в ту же самую зону другой области. На рис. 5.1 в вольт-амперная
характеристика туннельного диода представлена как зависимость суммы токов In 
р, Ip 
n и обычного диодного
(диффузионного и дрейфового) тока от приложенного напряжения.
Теперь рассмотрим более подробно вольт-амперную характеристику туннельного диода по выделенным на ней отдельным точкам (а, б, в, г, д, е, ж, рис. 5.2):
а) при нулевом смещении электронам проводимости n-области противостоят валентные электроны р-области (рис. 5.2, а). Если все указанные уровни заполнены, то туннельные переходы невозможны. В действительности при комнатной температуре некоторая часть этих уровней освобождается за счет электронов, переброшенных на уровни, расположенные выше уровня Ферми. Поэтому существует определенная вероятность, что валентный электрон р-области, не меняя своей энергии, совершит туннельный переход и займет соответствующий уровень в зоне проводимости n-области. Существует точно такая же вероятность туннельного перехода электрона проводимости n-области в валентную зону p-области. Так как эти вероятности одинаковы, то встречные потоки электронов, совершающих туннельные переходы, взаимно компенсируются и суммарный туннельный ток оказывается равным нулю (IТ=0, рис. 5.2, а). При дальнейших рассуждениях эти составляющие учитываться не будут;
Рис. 5.2. Энергетические диаграммы туннельного диода при различных напряжениях смещения
и его вольт-амперная характеристика
б) если к p-n-переходу приложить небольшое прямое напряжение, то энергетические уровни р-области понизятся относительно энергетических уровней n-области (рис. 5.2, б). В этом случае уровни некоторых электронов проводимости n-области расположатся против свободных уровней, находящихся в валентной зоне р-области, что создает благоприятные условия для их туннельного перехода. Поэтому в р-n-переходе появится туннельный ток, величина которого будет зависеть от смещения энергетических зон, т. е. от приложенного прямого смещения (туннельный ток протекает от р-области к n-области в направлении, противоположном движению электронов);
в) при увеличении прямого смещения туннельный ток будет увеличиваться до тех пор, пока не произойдет совмещение уровня Ферми n-области с верхним уровнем валентной зоны р-области. В этом случае туннельный ток достигает максимума, так как против уровней электронов проводимости n-области располагаются все свободные уровни валентной зоны р-области, превышающие уровень Ферми (рис. 5.2, в);
г) при дальнейшем увеличении прямого смещения некоторые уровни электронов проводимости n-области располагаются против запрещенной зоны р-области и туннельный ток уменьшается (рис. 5.2, г). В результате на вольт-амперной характеристике получается участок с отрицательным сопротивлением;
д) при некотором значении прямого напряжения зона проводимости n-области и валентная зона р-области начинают расходиться и туннельный ток прекращается (рис.5.2,д,е);
е) при прямом напряжении в р-n-переходе наряду с туннельным током появляется диффузионный ток, как у обычного диода (на вольт-амперной характеристике он показан штриховой линией). При расхождении зоны проводимости n-области с валентной зоной р-области (начиная с точки д) существует только диффузионный ток и туннельный диод при таком условии подобен обычному диоду, включенному в прямом направлении (рис.5.2, д, е);
ж)
при обратном смещении р-n-перехода туннельного диода валентная зона р-области перекрывается
с разрешенными и незаполненными уровнями зоны проводимости n-области. При этом возникают условия для относительно свободного
туннельного прохождения валентных электронов р-области в зону проводимости
n-области. В результате этого появляется значительный туннельный
ток обратного направления, величина которого очень сильно зависит от смещения
зон, т. е. от величины обратного напряжения (рис. 5.2, ж).
Рис. 5.3. Вольт-амперные характеристики германиевых
и арсенидгаллиевых туннельных диодов
|
|
