Принцип действия туннельного диода

Чем же объясняются такие замечательные свойства туннельного диода? Как уже подсказывает само название этого прибора, в основе его действия лежит хорошо известный а квантовой механике туннельный эффект. Чтобы понять сущность этого эффекта, рассмотрим простейший пример.

Если на некотором расстоянии от куска металла, назовем его катодом, расположить пластинку—анод (рис. 1) и присоединить их к батарее Б так, чтобы положительный полюс последней был подключен к аноду, а отрицательный к катоду, то во внешней цепи потечет электрический ток, который зарегистрирует включенный в цепь гальванометр Г. Это явление уже давно хорошо известно в физике и технике. Оно называется холодной или автоэлектронной эмиссией.

Рис. 1. Модель вакуумного диода с холодной эмиссией.

При комнатной температуре над поверхностью металла всегда имеется определенное количество свободных электронов, которые как бы «испаряются»из металла, образуя так называемое электронное облако. Эти электроны смогли «выйти» из металла только потому, что энергия их теплового движения оказалась больше энергии, обусловленной силами, удерживающими электрон в металле. Работа, которую электрон должен совершить, чтобы преодолеть эти силы, называется работой выхода. Для разных металлов величина работы выхода различна.

Внешнее электрическое поле между анодом и катодом уменьшает величину работы выхода; поэтому с ростом напряжения батареи при постоянном расстоянии между катодам и анодом ток во внешней цели возрастает.

Какой же должна быть напряженность поля, чтобы ток холодной эмиссии во внешней цепи достиг максимального значения? Очевидно, это может произойти при такой напряженности поля, когда работа выхода обратится в нуль. Физики подсчитали, что для вольфрама, например, эта напряженность поля E=U/t=200 000 000 в/см, т. е. если расстояние между анодом и катодом сделать равным 1 см, то батарея должна иметь напряжение 200 000 000 в. Если же расстояние сделать равным 1 мк (0,0001 см), то напряжение должно быть 20 000 в. Отсюда следует, что даже в последнем случае практическое осуществление подобного прибора весьма затруднительно.

Однако экспериментальная проверка доказала, что для вольфрамового катода достаточно большие токи удается получить уже при напряженности поля порядка 10⁶ в/см, т. е. при расстоянии в 1 мк достаточно иметь батарею напряжением 100 в.

Столь сильные расхождения между первоначально предложенной теорией и опытом удалось объяснить с помощью туннельного эффекта. Дело в том, что силы, препятствующие выходу электрона из металла, образуют у его поверхности так называемый потенциальный барьер (рис. 2), для преодоления которого согласно классической теории электрон должен сначала «подняться» на него, затратив работу, равную работе выхода, а затем уже свободно перемещаться от катода к аноду. Согласно же квантовой механике электрону нет необходимости «подниматься» на барьер; при определенных условиях он может, не затрачивая энергии, пройти «сквозь» него, как через туннель.

Рис 2. Форма потенциального барьера у катода на рис. 1.: 1 — классический способ преодоления потенциального барьера, 2 — туннельный переход электрона.

Такой механизм «выхода» из металла связан с волновым представлением о движении электрона в твердом теле. Здесь имеется довольно близкая аналогия с прохождением света через непрозрачную (в обычном понимании) металлическую пластинку. Если пластинка достаточно тонка, то часть светового потока обязательно, пройдет через нее и может быть обнаружена по другую сторону пластинки. Точно так же и потенциальный барьер может оказаться достаточно «прозрачным» для электронов, «выходящих» с поверхности данного тела. Только в этом случае ширина барьера, которая определяет его «прозрачность», в очень сильной степени зависит от величины напряженности электрического поля.

В квантовой механике прозрачность барьера описывается математической функцией, которая показывает, какова вероятность туннельного перехода электрона, обладающего данной энергией. С ростом напряженности электрического поля вероятность туннельного перехода возрастает, и потенциальный барьер для электронов становится как бы «прозрачнее».

Туннельный эффект может также наблюдаться и между двумя полупроводниками. Например, критическая напряженность поля для германия, при которой появляется значительный туннельный ток, составляет примерно 10⁵ в/см. Таким образом, для того чтобы сделать полупроводниковый прибор, работающий на этом принципе, достаточно эффективным при сравнительно низких напряжениях, необходимо обеспечить достаточно малое расстояние между соответствующими его электродами.

В отличие от рассмотренного выше примера с металлами, областью раздела между полупроводниковым «катодом» и «анодом» является не вакуум, а так называемый обедненный слой, который образуется на границе двух полупроводников с различными электрическими свойствами. Такое соединение полупроводников в физике называют p-n-переходом; он имеется у всех известных в настоящее время полупроводниковых диодов и транзисторов. Напомним, что буква р (от латинского слова positive — положительный) означает, что ток в данном полупроводнике переносится положительными зарядами (дырками), а буква п (от латинского слова negative — отрицательный) — отрицательными (электродами).

На границе раздела двух полупроводников с различным типом проводимости образуется очень тонкий слой, обедненный носителями тока; в нем нет ни дырок, ни электронов. Этот слой, грубо говоря, играет ту же роль, что и расстояние между анодом и катодом в рассмотренном выше примере. Но в отличие от этого примера в обедненном слое всегда имеется «собственная», внутренняя напряженность электрического поля, обусловленная наличием равновесной разности потенциалов между двумя областями полупроводника с различными типами проводимости. Это разность потенциалов как бы «удерживает» электроны с одной стороны р-п-перехода и дырки с другой стороны от их взаимного перемещения, которое неизбежно привело бы к возникновению тока во внешней цепи. Поэтому, когда к р-п-переходу не приложено внешнее напряжение, в нем устанавливается равновесное состояние, при котором ток во внешней цепи равен нулю.

Нарушить равновесное состояние р-п-перехода можно не только за счет подключения внешней батареи, но и с помощью любого вида облучения (светового, теплового или ядерного). При этом разность потенциалов между полупроводниками уменьшается и возникает встречный поток дырок и электронов, вызывающий появление тока во внешней цепи. На этом принципе, в частности, работают хорошо известные фотолюбителям фотоэкспонометры, в которых в зависимости от освещенности изменяется величина напряжения на р-n-переходе, отмечаемая милливольтметром во внешней цепи. Очевидно, что максимальное напряжение, которое может показать милливольтметр при (наибольшей освещенности, не может превышать равновесной разности потенциалов, обычно составляющей 0,1—0,7 в.

Равновесная разность потенциалов и ширина обедненного слоя зависят от концентрации дырок и электронов по обе стороны от границы раздела полупроводников типов р и п: чем больше концентрация, тем выше равновесная разность потенциалов и уже обедненный слой. Концентрация электронов и дырок определяется концентрацией, введенной в полупроводник в процессе изготовления р-n-перехода примеси. Для того чтобы полупроводник имел определенную проводимость (электронную или дырочную), в него вводят соответствующие примеси. Так, например, чтобы германий и кремний имели электронную проводимость, в, них вводят сурьму, мышьяк или фосфор. Элементы, сообщающие полупроводнику электронную проводимость, называются донорами. Для придания же полупроводнику дырочной проводимости обычно используют индий, галий, бор. Эти элементы называют акцепторами.

Наиболее распространенным способом изготовления р-n-переходов является метод вплавления. Сущность его сводится к тому, что на поверхность пластинки германия, например электронного типа, толщиной 0,1—0,5 мм наносится капля индия При температуре порядка 500—600° С происходит сплавление индия с германием, в результате которого на пластине германия образуется капля сплава индий—германий. При последующем охлаждении кристаллизующийся из расплава германий захватывает атомы индия и приобретает дырочную проводимость. На границе этого рекристаллизованного слоя типа р с исходным германием типа п образуется р-n-переход.

У обычных полупроводниковых диодов и транзисторов, широко используемых в современной электронной аппаратуре, концентрация электронов и дырок редко превышает 10¹⁷ в 1 см³ (обычно 10¹⁴—10¹⁶ в 1 см³). При этом равновесная разность потенциалов обычно составляет 0,2—0,3 в, а ширина обедненного слоя несколько микрон.

Как уже было отмечено раньше, для того чтобы в р-п-переходе мог наблюдаться туннельный эффект, необходимо обеспечить достаточно высокую напряженность электрического ноля на границе раздела двух полупроводников. Для этого нужно повысить равновесную разность потенциалов к сделать по возможности уже обедненный слой. Эти два требования можно удовлетворить одновременно, если повысить концентрацию электронов и дырок по обе стороны от границы раздела.

Поэтому в германиевых туннельных диодах концентрация электронов и дырок достигает 10¹⁹—10²⁰ в 1 см³. Такие полупроводники называются вырожденными, а их свойства становятся очень близки к металлам. Ширина обедненного слоя в таком р-n-переходе оказывается порядка 0,01 мк и, следовательно, только за счет равновесной разности потенциалов, которая в данном случае составляет 0,6—0,7 в, напряженность поля в р-п-переходе может достигать 5*10⁵—7*10⁵ B/см. Через такой узкий р-n-переход даже без внешнего смещения должен протекать значительный туннельный ток!

Однако этого не произойдет, потому что в отличие от схемы на рис. 1 в р-n-переходе появится туннельный ток не только из области р а область п, но и направленный навстречу ему ток из области п в область р. Поскольку же эти токи равны, результирующий ток во внешней цепи будет равен нулю.

Такое равновесие будет иметь место до тех пор, пока мы каким-либо способом не «заставим» одну из составляющих токов уменьшиться по сравнению с другой. Это можно легко сделать с помощью батареи смещения. Если подключить батарею Б так, как это показано на рис. 3,а, т. е. положительным полюсом к области р, а отрицательным к области п, то поток электронов из п в р увеличится, а из р в п уменьшится. В итоге появится результирующий ток Iо, который будет направлен во внешней цепи справа налево. Такое включение батареи соответствует прямому смещению в р-n-переходе. Если же изменить полярность источника на обратную, как показано на рис. 3,б, то поток электронов из п в р уменьшится, а из р в п увеличится и результирующий ток изменит свое направление. Такое включение батареи соответствует обратному смещению в р-п-переходе.

Рис. 3. Модель p-n-перехода. а — прямое смещение; б — обратное смещение.

Рассмотренный нами полупроводниковый прибор получил название туннельного диода, поскольку по своей конструкции (два электрода) он совершенно аналогичен хорошо известным и широко используемым полупроводниковым диодам. Однако принцип действия этих двух приборов и их характеристики существенно различны.

В обычных полупроводниковых диодах и транзисторах электрон, для того чтобы попасть из области п в область р (и наоборот), должен «взбираться» на потенциальный барьер, затрачивая при этом значительную часть своей тепловой энергии, так как большая ширина обедненного слоя не позволяет ему проделать тот же путь за счет туннельного перехода. Поэтому в этих приборах прямой ток нарастает довольно вяло в интервале напряжений от 0 до 0,1—0,2 в, так как при комнатной температуре в полупроводнике оказывается слишком мало свободных электронов с энергией, достаточной Для преодоления потенциального барьера.

На рис. 4 для сравнения показаны вольт-амперные характеристики обычного полупроводникового (кривая /) и туннельного (кривая 2) диодов. В отличие от обычного у туннельного диода ток при небольших напряжениях в прямом и обратном направлениях возрастает очень резко. Это связано с тем, что согласно законам квантовой механики при туннельном переходе электрон нe расходует своей энергии и поэтому может совершать такие переходы даже при температуре, близкой к абсолютному нулю (—273С). При таких температурах обычные полупроводниковые диоды и транзисторы вообще не будут работать, так как основным фактором, заставляющим электроны в этих приборах перемещаться из одной области полупроводника в другую, является энергия теплового движения. Это обстоятельство и объясняет тот факт, что туннельные -диоды работают в гораздо более широком диапазоне температур, чем обычные полупроводниковые приборы.

Рис. 4. Вольт-амперные характеристики: 1 — обычного полупроводникового диода; 2 — туннельного диода.

Поскольку электронов, совершающих туннельный переход, в вырожденном полупроводнике очень много, величина тока при малых прямых и обратных смещениях зависит лишь от разности встречных потоков, интенсивность которых регулируется батареей смещения, выполняющей как бы роль клапана.

В отличие от тока при обратных смещениях туннельный ток в прямом направлении достигает некоторого максимального значения Iмакс при напряжении U₁ а затем начинает довольно резко убывать до некоторого минимального значения Iмин. Это связано с тем, что с ростом напряжения в прямом направлении уменьшается число электронов, способных совершить туннельный переход. При напряжении U₂ число этих электронов становится равным нулю и туннельный ток также должен был бы обратиться в нуль. Но, как следует из рис. 4, при напряжении U₂ ток достигает некоторого минимального значения Iмин, а затем начинает довольно резко возрастать. Восходящие ветви характеристик для обоих рассматриваемых диодов совпадут, когда напряжение достигнет значения U₂. В этом нет ничего удивительного, потому что, начиная с этого напряжения, когда прекращается туннельный ток, механизм прохождения электронов через р-n-переход в обоих диодах становится одинаковым, так как он связан с тепловым «перебросом» электронов через потенциальный барьер. Эта причина отчасти объясняет наличие тока Iмин при напряжении U₂.

В обратном направлении ток обычного диода чрезвычайно мал, так как высота потенциального барьера в этом случае оказывается больше равновесной и составляет единицы микроампер. В связи с этим его обратное сопротивление очень велико (порядка нескольких мегом). У туннельного же диода обратный ток с повышением напряжения резко возрастает и уже при напряжениях порядка десятых долей вольта может составлять несколько десятков миллиампер. Поэтому его сопротивление в обратном направлении составляет единицы ом.

Основное преимущество туннельного диода перед известными полупроводниковыми приборами заключается в его чрезвычайно высоком частотном пределе, до которого он может быть использован в различных радиотехнических схемах. Эта его особенность связана с механизмом прохождения электрона через узкий р-п-переход и объясняется следующими причинами. Туннельный переход электрона происходит практически мгновенно, со скоростью, близкой к скорости света (время перехода составляет 10^-13—10^-14 сек).

Следующая причина, обусловливающая малую инерционность туннельного диода, связана с характером движения электрона в однородной области полупроводника после прохождения «сквозь» потенциальный барьер.

Рассмотрим это более подробно. В обычных полупроводниковых диодах электрон, покинувший полупроводник типа п, попадает в область полупроводника типа р, где он оказывается как бы «чужим» в окружении большого числа положительных зарядов — дырок. В физике такие электроны называют неосновными носителями заряда в отличие от основных носителей, каковыми являются дырки в области р или электроны в области п. Особенность движения неосновных носителей в полупроводниках заключается в том, что они перемещаются со скоростью диффузии, т. е. очень медленно. С этой же скоростью происходит и передача электрического сигнала. Классическим примером диффузионного движения может служить распространение краски в стакане воды. Хорошо известно, что требуется довольно большое время, чтобы молекулы краски под действием теплового движения равномерно распределились во всем объеме жидкости. Примерно по тем же законам происходит и распространение неосновных носителей в объеме полупроводника. Это обстоятельство является определяющим при оценке инерционности обычных полупроводниковых диодов и транзисторов. По этой причине наиболее высокочастотные диоды и транзисторы, в которых используется только диффузионный механизм передачи тока, могут работать до частот порядка нескольких десятков мегагерц.

Совершенно иначе обстоит дело в туннельном диоде. Здесь электрон, покидающий полупроводник типа n, попадает в область р как бы преобразованным в положительный заряд, т. е. дырку. Таким образом, все электроны, совершившие туннельный переход из области п в область р, становятся основными носителями и в области р.

Известно, что передача электрического сигнала с помощью основных для данного полупроводника носителей заряда происходит со скоростью света. Наиболее ярким подтверждением этого является прохождение тока через металлический проводник, в котором электроны, поступающие из батареи смещения, служат основными носителями. Поэтому туннельный диод является прибором практически безынерционным.

Как мы увидим дальше, частотный предел применимости туннельного диода ограничивается лишь наличием таких параметров, как емкость р-п-перехода и сопротивление потерь, обусловленное объемным сопротивлением материала и выводящих проводников.

Эти параметры присущи любому туннельному диоду, и поэтому создание более высокочастотных образцов сводится в основном к разработке наиболее совершенной конструкции и поискам соответствующих полупроводниковых материалов, использование которых позволило бы свести к минимуму емкость перехода и сопротивление потерь.

Следует отметить, что на характеристики диффузионного движения сильное влияние оказывает ядерное облучение. Поэтому параметры обычных диодов и транзисторов, в которых указанный механизм движения является определяющим их свойства, существенно изменяются уже при незначительных дозах радиации. Туннельные же диоды практически мало чувствительны к ядерному облучению.

Одной из разновидностей туннельного диода является обращенный диод, который имеет вольт-амперную характеристику, совпадающую с туннельным диодом <в обратном направлении и с обычным диодом в прямом. Обращенный диод имеет довольно большое сопротивление при положительных смещениях в интервале напряжений от нуля до 0,1—0,2 в и очень малое сопротивление при отрицательных смещениях. Такой вид характеристики и объясняет термин «обращенный», поскольку при нормальной работе в режиме детектора обращенный диод оказывается хорошим проводником для обратных и плохим для прямых смещений.

Высокая крутизна характеристики в обратном направлении позволяет использовать обращенные диоды для детектирования переменных сигналов напряжением в несколько милливольт. Детектировать столь малые напряжения с помощью обычных диодов практически невозможно, так как в указанном интервале напряжений кривизна их характеристики оказывается недостаточной для эффективного детектирования.