Введение

Диод, работающий на основе квантового туннельного эффекта

Туннельный диод, или диод Эсаки, – это тип полупроводникового диода, обладающий эффективным "отрицательным сопротивлением" благодаря квантово-механическому эффекту, называемому туннелированием. Он был изобретён в августе 1957 года Лео Эсаки, работавшим в компании Tokyo Tsushin Kogyo, ныне известной как Sony. В 1973 году Эсаки получил Нобелевскую премию по физике за экспериментальное доказательство эффекта туннелирования электронов в полупроводниках. Роберт Нойс независимо разработал идею туннельного диода, работая на Уильяма Шокли, но ему не рекомендовали её развивать. Туннельные диоды впервые были произведены компанией Sony в 1957 году, затем General Electric и другими компаниями, начиная примерно с 1960 года, и до сих пор выпускаются небольшими партиями. Туннельные диоды имеют сильно легированный p-n переход шириной около 10 нм (100 Å). Сильная легировка приводит к разрыву запрещённой зоны, при котором состояния электронов в зоне проводимости на n-стороне более или менее совпадают с состояниями дырок в валентной зоне на p-стороне. Обычно они изготавливаются из германия, но также могут быть изготовлены из арсенида галлия и кремния.

Применение

Отрицательное дифференциальное сопротивление в части их рабочего диапазона позволяет им функционировать как генераторы и усилители, а также в схемах переключения с гистерезисом. Они также используются как преобразователи частоты и детекторы. Их низкая емкость позволяет им работать на микроволновых частотах, значительно превышающих диапазон обычных диодов и транзисторов. Из-за низкой выходной мощности туннельные диоды не получили широкого распространения: их радиочастотная выходная мощность ограничена несколькими сотнями милливатт из-за малого размаха напряжения. Однако в последние годы были разработаны новые устройства, использующие туннельный эффект. Резонансный туннельный диод (RTD) достиг одних из самых высоких частот среди твердотельных генераторов. Другой тип туннельного диода – диод металл-изолятор-изолятор-металл (MIIM), где дополнительный изоляционный слой обеспечивает "ступенчатое туннелирование" для более точного управления диодом. Существует также диод металл-изолятор-металл (MIM), но из-за присущей ему чувствительности его текущее применение, по всей видимости, ограничено исследовательскими лабораториями.

Операция перенаправления вперед

При нормальной работе в прямом смещении, когда напряжение начинает увеличиваться, электроны сначала туннелируют через очень узкий потенциальный барьер P–N перехода, заполняя электронные состояния в зоне проводимости на N-стороне, которые выравниваются с вакантными дырочными состояниями в валентной зоне на P-стороне P–N перехода. При дальнейшем увеличении напряжения эти состояния всё больше перестают совпадать, и ток уменьшается. Это явление называется отрицательным дифференциальным сопротивлением, поскольку ток падает с ростом напряжения. Когда напряжение превышает определенную точку переключения, диод начинает работать как обычный диод, в котором электроны перемещаются посредством проводимости через P–N переход, а не туннелируют через потенциальный барьер P–N перехода. Наиболее важной областью работы туннельного диода является область "отрицательного сопротивления". Его вольт-амперная характеристика отличается от характеристики обычного P–N диода.

Операция обратного смещения

При использовании в обратном направлении туннельные диоды называются обратными (или встречными) диодами и могут работать как высокоскоростные выпрямители с нулевым напряжением смещения и исключительной линейностью для мощных сигналов (они обладают точной квадратичной характеристикой в обратном направлении). При обратном смещении заполненные уровни энергии на P-стороне всё больше выравниваются с незаполненными уровнями энергии на N-стороне, и электроны начинают туннелировать через потенциальный барьер P-N перехода в обратном направлении.

Технические сравнения

В обычном полупроводниковом диоде проводимость возникает при прямом смещении P-N перехода и блокируется при обратном смещении. Это продолжается до точки, известной как "напряжение обратного пробоя", при котором начинается проводимость (часто сопровождаемая разрушением прибора). В туннельном диоде концентрация примесей в P- и N-слоях увеличивается до такой степени, что напряжение обратного пробоя становится равным нулю, и диод проводит ток в обратном направлении. Однако при прямом смещении возникает эффект, называемый квантовым механическим туннелированием, который приводит к появлению области на вольт-амперной характеристике, где увеличение прямого напряжения сопровождается уменьшением прямого тока. Эта область "отрицательного сопротивления" может быть использована в твердотельной версии осциллятора динатрона, который обычно использует тетродный вакуумный триод (электронную лампу).

Приложения

Туннельный диод демонстрировал большой потенциал в качестве генератора и высокочастотного триггерного устройства, поскольку работал на частотах, значительно превышающих возможности тетрода – вплоть до микроволнового диапазона. Области применения туннельных диодов включали локальные генераторы для телевизионных тюнеров UHF, триггерные схемы в осциллографах, высокоскоростные счетные схемы и схемы генераторов импульсов с очень быстрым временем нарастания. В 1977 году в спутниковом приемнике Intelsat V использовался микрополосный усилитель на туннельном диоде (TDA) в полосе частот 14–15,5 ГГц. Такие усилители считались передовыми, обеспечивая лучшую производительность на высоких частотах, чем любые фронтенды на основе транзисторов. Туннельный диод также может применяться как малошумящий микроволновый усилитель. Диод Ганна обладает схожими высокочастотными характеристиками и способен выдерживать большую мощность. Туннельные диоды также более устойчивы к ионизирующему излучению, чем другие диоды, что делает их подходящими для использования в условиях повышенной радиации, например, в космосе.

Долговечность

Туннельные диоды чувствительны к повреждениям от перегрева, поэтому при пайке требуется особая осторожность. Туннельные диоды отличаются долговечностью, и устройства, изготовленные в 1960-х годах, до сих пор функционируют. В статье, опубликованной в журнале Nature, Эсаки и его соавторы утверждают, что полупроводниковые устройства в целом чрезвычайно стабильны, и предполагают, что срок их хранения должен быть "бесконечным" при хранении при комнатной температуре. Они также сообщают, что небольшое тестирование 50-летних устройств дало "удовлетворительное подтверждение долговечности диода". Как было замечено на некоторых образцах диодов Эсаки, позолоченные железные выводы могут фактически корродировать и замыкать на корпус. Обычно это можно диагностировать и устранить с помощью простого метода с использованием перекиси водорода и уксуса, обычно применяемого для ремонта печатных плат телефонов, и диод внутри обычно продолжает работать. Избыточные российские компоненты также надежны и часто могут быть приобретены за несколько пенсов, хотя их первоначальная стоимость составляла от 30 до 50 фунтов стерлингов. Обычно продаваемые устройства основаны на арсениде галлия (GaAs) и имеют соотношение 5:1 при токе Ipk около 1–20 мА, поэтому их следует защищать от перегрузки по току.