Дивовижний напівпровідниковий прилад - тунельний діод

При вивченні механізму випрямлення змінного струму на ділянці дотику двох різних середовищ - напівпровідника і металу, була висунута гіпотеза, що в його основі лежить так званий тунельний ефект носіїв заряду. Однак на той момент (1932 рік) рівень розвитку напівпровідникових технологій не дозволив підтвердити здогадку дослідним шляхом. Лише в 1958 році японський вчений Есаки зумів блискуче її підтвердити, створивши перший в історії тунельний діод. Завдяки його дивовижним якостям (зокрема, швидкодії), даний прилад привернув увагу фахівців різних технічних областей. Тут варто пояснити, що діод - це електронний прилад, який представляє собою об`єднання в єдиному корпусі двох різних матеріалів, що володіють різними типами провідності. Тому електричний струм може проходити по ньому тільки в одному напрямку. Зміна полярності призводить до «закриття» діода і зростанню його опору. Збільшення напруги призводить до «пробою».

Розглянемо, як працює тунельний діод. Класичний випрямний напівпровідниковий прилад використовує кристали з кількістю домішок не більше 10 в ступені 17 (-3 ступінь сантиметра). А так як даний параметр безпосередньо пов`язаний з числом вільних носіїв заряду, то виходить, що останніх ніколи не може бути більше зазначеної кордону.

Існує формула, що дозволяє визначити товщину проміжної зони (переходу pn):

L = ((E * (Uk-U)) / (2 * Pi * q)) * ((Na + Nd) / (Na * Nd)) * 1050000,

де Na і Nd - кількість іонізованих акцепторів та донорів відповідно-Pi - 3.1416- q - значення заряду електрона- U - підведене напруга-Uk - різниця потенціалів на ділянці перехода- E - значення діелектричної проникності.

Наслідком з формули є той факт, що для pn переходу класичного діода характерні низька напруженість поля і відносно велика товщина. Щоб електрони могли потрапити у вільну зону, їм потрібна додаткова енергія (сообщаемая ззовні).

Тунельний діод використовує в своїй конструкції такі види напівпровідників, які змінюють вміст домішок до 10 в ступені 20 (-3 ступінь сантиметри), що на порядок відрізняється від класичних. Це призводить до кардинального зменшення товщини переходу, різкого підвищення напруженості поля в області pn області і, як наслідок, виникнення тунельного переходу, коли електрону для потрапляння в валентну зону не потрібна додаткова енергія. Це відбувається тому що енергетичний рівень частинки не змінюється при проходженні бар`єру. Тунельний діод легко відрізнити від звичайних за його вольт-амперної характеристиці. Зазначений ефект створює на ній своєрідний сплеск - від`ємне значення диференціального опору. Завдяки цьому тунельні діоди набули широкого поширення в високочастотних пристроях (зменшення товщини pn проміжку робить такий прилад швидкодіючим), точної вимірювальної апаратури, генераторах і, звичайно ж, обчислювальній техніці.

Хоча струм при тунельному ефекті здатний протікати в обох напрямках, при прямому підключенні діода напруженість у зоні переходу зростає, зменшуючи кількість електронів, здатних на тунельне проходження. Збільшення напруги призводить до повного зникнення тунельного струму і вплив виявляється лише на звичайний дифузний (як у класичних діодах).

Також існує ще один представник подібних приладів - звернений діод. Він являє собою той же тунельний діод, але зі зміненими властивостями. Відмінність в тому, що значення провідності при зворотному підключенні, в якому звичайний випрямляючий прилад «закривається», у нього вище, ніж при прямому. Решта властивості відповідають тунельних діодів: швидкодія, малі власні шуми, здатність випрямляти змінні складові.