Туннельные диоды
Туннельные диоды используют странное квантовое явление, называемое резонансным туннелированием, для обеспечения отрицательных сопротивлений на участке прямого смещения вольтамперной характеристики. Когда на туннельный диоды подается небольшое напряжение прямого смещения, он начинает проводить ток (рисунок (b) ниже). При увеличении напряжения ток увеличивается и достигает пикового значения, называемого током пика (IP). Если напряжение еще немного увеличить, ток фактически начинает уменьшаться, пока не достигнет нижней точки, называемой током впадины (IV). Если напряжение увеличивается дальше, ток начинает возрастать снова, на этот раз без снижения в другую «впадину». Условное обозначение туннельного диода показано на рисунке (a) ниже.
Прямые напряжения, необходимые для доведения туннельного диода до его токов пика и впадины, известны как напряжение пика (VP) и напряжение впадины (VV), соответственно. Область на графике, где ток уменьшается при увеличении приложенного напряжения (между VP и VV по горизонтальной шкале), известна как область отрицательного дифференциального сопротивления.
Туннельные диоды, также известные как диоды Эсаки в чести своего японского изобретателя Лео Эсаки, способны очень быстро переходить между токовыми уровнями пика и впадины, «переключаясь» между высоким и низким состояниями проводимости намного быстрее даже диодов Шоттки. Характеристики туннельного диода также относительно не подвержены влиянию на изменения температуры.
Туннельные диоды сильно легируются как P, так и в N областях, в 1000 раз больше по сравнению с выпрямительными диодами. Это видно на рисунке выше. Обычные диоды находятся далеко слева, стабилитроны слева, а туннельные диоды справа от пунктирной линии. Сильное легирование создает необычно тонкую обедненную область. Это создает необычно низкое напряжение обратного пробоя с высокой утечкой. Тонкая обедненная область становится причиной высокой емкости. Чтобы избавиться от нее, площадь перехода туннельного диода должна быть крошечной. Участок прямого смещения характеристики диода состоит из двух областей. Обычный участок прямого смещения с экспоненциальным ростом тока за пределами VF, 0,3 В для Ge, 0,7 В для Si. Между 0 В и VF находится дополнительный пик «отрицательного сопротивления» на характеристике. Это связано с квантовомеханическим туннелированием из-за двойной корпускулярно-волновой природы электронов. Обедненная область настолько тонка по сравнению с эквивалентной длиной волны электрона, что они могут создавать туннель через нее. Им не нужно преодолевать обычное прямое напряжение диода VF. Энергетический уровень зоны проводимости материала N-типа перекрывает уровень валентной зоны в области P-типа. При увеличении напряжения начинается туннелирование; ток увеличивается до определенной точки. По мере увеличения тока энергетические уровни перекрываются меньше; ток уменьшается с увеличением напряжения. На графике это соответствует участку «отрицательного дифференциального сопротивления».
Туннельные диоды не являются хорошими выпрямителями, так как они имеют относительно высокий ток «утечки» при обратном смещении. Следовательно, они находят применение только в специальных схемах, где имеет значение их уникальный туннельный эффект. Чтобы использовать туннельный эффект, эти диоды поддерживаются под напряжением смещения где-то между уровнями напряжения пика и впадины, всегда в прямом смещении (на анод – плюс, на катод – минус).
Возможно, наиболее распространенным применением туннельного диода являются простые схемы высокочастотных генераторов, как показано на рисунке (c) выше, где он позволяет источнику постоянного напряжения подводить питание к схеме параллельного LC контура, а диод проводит ток, когда напряжение на нем достигает уровня пика (туннеля), и эффективно изолирует при всех других напряжениях. Резисторы смещают туннельный диод на несколько десятых долей вольта на центр участка отрицательного дифференциального сопротивления на графике вольтамперной характеристики. Резонансный LC контур может быть секцией волновода для работы на СВЧ. В этом случае возможна генерация колебаний до 5 ГГц.
В свое время туннельный диод был единственным доступным твердотельным микроволновым усилителем. Туннельные диоды были популярны, начиная с 1960-х годов. Они были более долгоживущими, чем усилители на лампах бегущей волны, что важно при использовании в спутниковых передатчиках. Благодаря сильному легированию туннельные диоды также устойчивы к радиации. Сегодня на СВЧ работают различные транзисторы. Даже небольшие сигнальные туннельные диоды стоят дорого, и сегодня их трудно найти. Существует один оставшийся производитель германиевых туннельных диодов и ни одного производителя кремниевых устройств. Они иногда используются в военной технике, поскольку не чувствительны к радиации и большим изменениям температуры.
Были проведены некоторые исследования, связанные с возможной интеграцией кремниевых туннельных диодов в интегральные микросхемы CMOS. Считается, что они способны к коммутации на частоте 100 ГГц в цифровых схемах. Единственный производитель германиевых устройств производит их по одному за раз. Поэтому необходимо, сначала разработать процесс пакетного производства кремниевых туннельных диодов, а затем интегрировать его в процессы производства CMOS.
Туннельный диод Эсаки не следует путать с резонансным туннельным диодом (описан в главе 2) с более сложной конструкцией из составных полупроводников. RTD – это новейшая разработка, способная к работе на более высоких скоростях.