ТУННЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ

При малых уровнях легирования (1014-г1017 см-3) полупроводник не вырожден, и уровень Ферми лежит в запрещенной зоне. Когда концентрация примеси превышает эффективные плотности состояний, уровень Ферми перемещается в валентную зону (в случае акцепторных примесей) либо в зону проводимости (при донорной примеси).

Такие полупроводники считаются вырожденными, и на их основе можно изготавливать так называемые туннельные диоды, вольт-амперная характеристика которых имеет необычный вид.

В туннельном диоде качественно меняется электронный спектр полупроводника. У полупроводника я-тина на дне зоны проводимости появилась целая полоса, занятая электронами, а в р-полупроводнике образовалась полоса свободных состояний у потолка валентной зоны. Сильно

Рис. 4.10

Схема энергетических уровней и вольт-амперная характеристика идеального туннельного диода

легированный полупроводник стал полуметаллом. У всей системы образовался единый уровень Ферми — единая граница свободных состояний (рис. 4.10). В равновесном состоянии выравнивание уровня Ферми происходит за счет туннелирования носителей заряда сквозь потенциальный барьер. Если внешнее напряжение отсутствует, то результирующий ток через переход равен нулю.

Приложим к туннельному диоду внешнее поле в прямом направлении, т. е. минус к л-области, а плюс к р-области. В этом случае внешнее поле противоположно внутреннему в (р-л)-переходе. По мере увеличения приложенного напряжения смещение зон уменьшается (рис. 4.106) и часть занятых состояний в л-области перекрывается с незанятыми состояниями в р-области. Электроны туннелируют налево, ток возрастает пропорционально как вероятности туннелирования, так и плотности занятых состояний справа и незанятых состояний слева. При дальнейшем увеличении разности потенциалов перекрытие уровней справа и слева достигает максимума и ток через диод максимален (рис. 4.106).

Затем часть занятых состояний в л-области начинает перекрываться с запрещенной зоной р-области (рис. 4.10в), для электронов на этих уровнях прямое туннелирование уменьшается, число переходов ограничивается, ток через диод спадает. Наконец, дно зоны проводимости справа поднимается настолько, что попадает в область энергий запрещенной зоны слева и электронам некуда переходить

(рис. 4.Юг). Поэтому при напряжении ток полностью прекращается. При дальнейшем увеличении напряжения занятые уровни в л-области начинают совпадать с незанятыми уровнями в зоне проводимости р-области (рис. 4.10Э). Электроны проходят справа налево без всякого туннелирования, появляется диффузионный ток, как в обычном полупроводниковом диоде, который резко возрастает.

При обратном напряжении на (р-л)-переходе (рис. 4.10с) уровень Ферми в р-области смещается вверх относительно уровня Ферми в л-области на величину внешнего напряженин, при этом против заселенных состояний в р-облас- ти появляются свободные уровни в л-области. Электроны р-полупроводника туннелируют в л-полупроводник, и через (р-л)-переход течет ток, обусловленный неосновными носителями заряда; в цепи диода пойдет ток в обратном направлении. Так получается вольт-амперная характеристика идеального туннельного диода (рис. 4.10ж).

Наличие у туннельных диодов участка отрицательного дифференциального сопротивления позволяет использовать их в качестве быстродействующих переключателей, применять для генерации электромагнитных колебаний и т. д.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >