ных к диоду. Работу диода проследим применительно к движению электронов. Движение дырок аналогично. Туннельный переход электронов из одной области полупроводника в другую без изменения своей энергии возможен,.-если занятым энергетическим уровням одной области соответствуют аналогичные по высоте свободные от электронов уровни в другой области.

В целях упрощения представлений о физических процессах в диоде идеализируем полупроводник. Предположим, что в зоне проводимости п-области все энергоуровни от дна зоны Тп до уровня Ферми 4Fj (заштрихованная область) целиком заполнены электронами, а все уровни выше (область не заштрихована) свободны.

Аналогично примем, что в валентной зоне р-области все энергоуровни от потолка зоны срв до уровня Ферми «р/ (незаштри-хованная область) свободны от электронов, а все уровни ниже уровня Ферми ср/Гр (заштрихованная область) заполнены.

1. На рис. 4.16, а приведена зонная диаграмма туннельного диода в отсутствие внешнего напряжения (f7=0). В этом равновесном режиме тока вдиоде нет (/=0), поскольку свободным уровням р-области соответствуют свободные уровни п-области (незаштри-хованные области); аналогично расположены заполненные уровни р- и п-областей (заштрихованные области).

2. Если к переходу приложить прямое напряжение {/др плюсом к р-области (рис. 4.16, б), перекрытие зон изменяется. Уровень Ферми ffF в п-области окажется выше, чем в р-области. При этом возникнет поток электронов из заполненной зоны проводимости п-об-

Рис. 4.16. Зонные диаграммы и ВАХ туннельного диода

ласти на свободные уровни валентной зоны р-области (направление движения электронов условно изображено стрелкой). Значение прямого тока / определяется степенью перекрытия свободных уровней в валентной зоне и заполненных уровней в зоне проводимости.

С увеличением Unp это перекрытие расширяется и прямой ток возрастает (участок О-/ на рис. 4.16, в). При Unp=Ui, когда уровень потолка валентной зоны р-области совпадает с уровнем Ферми frj в зоне проводимости п-области <Рвр = (см. рис. 4 16, б), туннельный ток достигает максимального значения Ii макс {см. рис. 4.16, в). Напряжение Ui, соответствующее максимальному значению тока, определяется степенью легирования р- и п-областей.

3. С увеличением t/np более Ui уровень Ферми п-области смещается в область более высоких значений энергии. При этом сокращается перекрытие свободных и заполненных уровней р- и п-областей (рис. 4.16, г), вследствие чего уменьшается вероятность перехода электронов в р-область. В результате туннельный ток начинает снижаться (участок /-2 на рис. 4.16, в).

При Ujip= U2 уровень потолка валентной зоны р-области совпадает с дном зоны проводимости fn п-области, т. е. Tя, "п (рис. 4.16, д). Перекрытие зон прекращается и туннельный ток снижается до минимального значения /=/2 мин (в идеальном случае

/2мин = 0).

4. Когда t/np>t/2, запрещенная зона между р- и п-областями становится «сквозной», туннельный эффект исчезает. С этого момента начинается обычный диодный процесс, сопровождающийся инжекцией диффузионного тока через р-п-переход: дырки из валентной зоны р-области переходят в валентную зону п-области, а в обратном направлении инжектируются в р-область электроны из зоны проводимости п-области (участок 2-5 на рис. 4.16, в).

5. Если к диоду приложить обратное напряжение U<0 (плюсом к п-области), энергетические зоны диаграммы раздвинутся (рис. 4.16, е). При этом уровень Ферми в п-области расположится ниже, чем в р-области. Начнется переход электронов с заполненных уровней валентной зоны р-области на свободные уровни зоны проводимости п-области. Через диод от п- к р-области будет течь обратный ток (см. рис. 4.16, е).

Статические свойства туннельных диодов характеризуются следующими параметрами: отношением токов /[макс/гмин в экстремальных- точках 1 и 2 вольт-амперной характеристики (см. рис. 4.16, е) и величинами напряжений Ui и U2 в них; напряжением раствора U3 на восходящей ветви диффузионной части характеристики при пиковом значении тока; барьерной емкостью диода Сбар( 2), измеряемой при минимуме тока, и емкостью в максимуме тока C6ap(Li) =0,8 Сбар( 2).

Ток /гмин желателен возможно меньшим, а отношение /1макс 2мин - большим, тогда будбт ярко выражсн участок с отрицательным сопротивлением.

к параметрам, характеризующим динамические свойства диодов, относят: напряжение переключения U„ = Us-Ui, которое определяет скачок напряжения на нагрузке при работе туннельного диода в схеме переключения; отрицательное дифференциальное сопротивление гщф=ди/д1 на участке /-2 в точке максимума производной.

Максимальная рабочая частота /макс диода и его быстродействие Тмин определяются соотношениями:

/макс = [1/(2я л-д„ф Сбар)] V(•диф/а) - И Тмин = Гдиф С бар/ У{[Гдиф\/Го) - 1,

где Го - омическое сопротивление областей.

При типичных значениях Го=1 МОм, Гдиф= 10-=-100 Ом, Сбар= = 1050 пФ, /макс=20-1 ООО МГц, а Тмин=0,2-1 не.

Примерами прмышленных образцов туннельных диодов служат приборы типов: АИ101 (А, Б, В, Д, Е, И) и др. для работы в усилительных схемах; АИ201 (А, В, Г, Е, Ж, И, К, Л) и др. для работы в схемах генераторов; АИ301 (А-Г); ГИ304 (А, Б), ГИ305 {К, Б), ГИ307А и др. для работы в переключательных схемах.

Конструкции туннельных диодов приведены на рис. 4.17: а - патронного типа; б - таблеточного типа.

Область применения туннельных диодов разнообразна. Они выполняют функции активных элементов (приборов, способных усили-шать сигнал по мощности) электронных схем усилителей, генераторов, переключателей преимущественно СВЧ диапазонов. Диоды могут работать и на более низких частотах, однако их эффектив-лость здесь ниже транзисторов. По сравнению с обычными полупроводниковыми диодами туннельные диоды могут работать в более .широком интервале температур (до -Ь200С германиевые; до -Ь400°С кремниевые; до -г600°С арсенид-галлиевые).

Туннельные диоды обладают большим быстродействием, малы-гми габаритными размерами и массой, устойчивы к ядерной радиа-:ции, надежно работают в широком интервале температур, энер-гоэкономичны.

К недостаткам туннельных диодов относят их двухполюс-ность, что затрудняет в ряде схем разделение цепей входа и выхода. Туннельные диоды маломощны, так как их рабочая область расположена в диапазоне более низких напряжений, чем у обычных полупроводниковых приборов. Кроме того, они нуждаются . в высокостабильных источниках питающих напряжений.

Рис. 4.17. Устройство туннельных диодов:

/ - керамический корпус; 2 -точечный контакт; 3 и 5 - токоотвод; 4 - кристалл полупроводника