ческой зоны такого перехода при тепловом равновесии: уровень Ферми лежит выше дна зоны проводимости в п-области и ниже верха валентной зоны в р-области. Плотности основных носителей в приборе с зонной структурой, показанной на этом рисунке, составляют порядка 10 см-.

Из-за высокой степени легирования примесями ширина перехода в туннельном диоде чрезвычайно узка, порядка 10 см

400 А

р-тип

Рис. 9.1. Равновесные энергетические уровни в диоде Исаки.

Цр - уровень Ферми; Ef. м Еу - зона проводимости и валеитиая зона, а £j - собственный уровень Ферми.

(100А). Это сравнимо со средним расстоянием между примесными атомами в кристаллической решетке. Квантовомеханичес-кое исследование показывает, что при этих условиях электроны могут туннелировать через переход из п-области в р-область, а также в обратном направлении, из /?-области в п-область. Другими словами, волновые функции электронов могут перекрывать область перехода, обусловливая конечную вероятность перехода с одной стороны на другую.

При тепловом равновесии не может быть преимущественного потока носителей заряда через переход и, следовательно, потоки носителей в обоих направлениях должны быть равны. Если к переходу приложено обратное смещение, т.е. такое, которое увеличивает высоту потенциального барьера, ток резко возрастает вследствие усиления потока электронов, проходящих

через переход из валентной зоны р-области в зону проводимости п-области; то есть, при обратном смещении у туннельного диода имеется нулевое напряжение прибоя Зинера. При прямом смещении, когда высота потенциального барьера становится ниже равновесной, ток сначала монотонно растет с ростом приложенного напряжения. Это происходит вследствие туннелиро-

вания электронов с занятых уровней в зоне проводимости п-области на вакантные уровни в валентной зоне р-области. При дальнейшем возрастании приложенного напряжения ток проходит через максимум, после которого резко спадает; т. е. вольт-амперная характеристика имеет участок с отрицательным сопротивлением. Это происходит потому, что вероятность туннелирова-ния электронов через переход велика только между уровнями одинаковой энергии (т. е. энергия не меняется). Когда под действием прямого смещения валентная зона р-области смещается ниже зоны проводимости п-области, вероятность туннельного перехода быстро падает и туннельный ток также резко уменьшается. При дальнейшем увеличении напряжения смещения ток проходит через минимум и затем начинает снова расти вследствие тех же механизмов инжекции неосновных носителей и рекомбинации в области обедненного слоя, которые присутствовали в невырожденных р-п-переходах. Схематическое изображение вольт-амперной характеристики туннельного диода представлено на рис. 9.2.

Максимальный и минимальный токи прямой ветви вольт-амперной характеристики известны как токи пика и провала соответственно. Типичное отношение между ними 10:1. Минимум наблюдается при значениях приложенного напряжения смещения в диапазоне 100-300 мВ в зависимости от материала перехода, уровня легирования и температуры,. В идеальном переходе ток в области минимума должен бьЛь, нулевым, в соответствии С нулевой вероятностью Туннелирования но в действитель-

Рис. 9.2. Типичная вольт-амперная характеристика туннельного диода.

ток изучали Мейерхофер и др.

19] в вырожденных германие-

вых переходах, Чиновет и др. [7] - в кремниевых туннельных диодах; Кейн [16] рассмотрел теорию избыточного тока в туннельных переходах.

Особенно интересен характер вольт-амперной характеристики туннельного диода в области отрицательного сопротивления между токами пика и провала. Наклон этой части характеристики может быть очень крутым, соответствующим малому сопротивлению, например 1 Ом или меньше. Исаки [8], чье имя сейчас связывают с туннельным диодом, был первым, кто наблюдал «аномальное». поведение вольт-амперной характеристики в опытах по изучению внутренней автоэлектронной эмиссии в очень узких германиевых р - п-переходах. Некоторое время спустя после его первой статьи было сообщено о наблюдении вольт-амперной характеристики того же типа (т.е. имеющей область отрицательного сопротивления при прямых смещениях) в вырожденных, кремниевых переходах ..[9].

По сравнению с инжекцией неосновных носителей туннелирование электронов происходит чрезвычайно быстро, с постоянной времени около 10- с. Это означает, что диод Исаки можно использовать в быстродействующих переключателях или, для высокочастотного (микроволнового) усиления. Фактор, ограничивающий быстродействие прибора, - не постояннаявремени туннельного перехода, а большая емкость диода, которая оказывается весьма высокой на единицу площади ввиду малой ширины перехода :(~1 мкФ/см). Для достижения быстрого времени переключения (~ 1с) площадь перехода должна быть как можно меньше. К счастью, можно изготавливать достаточно малые переходы, в которых рабочий ток не ослабляется до неприемлемо низкого уровня, потому что плотность туннельного тока очень высока. - ...

Кроме кремния и германия, для изготовления туннельных диодов применяется несколько полупроводниковых соединений типа АщВу. Сюда относятся арсенид галлия i[14], антимонид индия [2,15] и арсенид индия [17]. Эти материалы привлекли внимание при попытках повысить быстродействие, улучшить шумовые характеристики и уменьшить последовательное сопротивление объемных областей. Например, в InSb переход необходимо охлаждать до температуры жидкогЪ азота для того, чтобы ослабить ток инжекции носителей до пренебрежимо малого уровня; малая величина запрещенной зоны в этом материале

НОСТИ наблюдается некоторый избыточный ток. Иошима и Исаки [33] считали, что этот ток обусловлен прямыми и непрямыми туннельными переходами электронов, энергия которых соответствует запрещенной зоне и существование которых связано с примесями и вакансиями в структуре рещетки. Избыточный