Туннельный диод или диод Эсаки — это тип полупроводникового диода , который имеет эффективное « отрицательное сопротивление » из-за квантово-механического эффекта, называемого туннелированием . Он был изобретен в августе 1957 года Лео Эсаки и Юрико Куросе во время работы в Tokyo Tsushin Kogyo, ныне известной как Sony . [1] [2] [3] [4] В 1973 году Эсаки получил Нобелевскую премию по физике за экспериментальную демонстрацию эффекта туннелирования электронов в полупроводниках. [5] Роберт Нойс независимо разработал идею туннельного диода, работая на Уильяма Шокли , но его отговорили от ее реализации. [6] Туннельные диоды были впервые изготовлены Sony в 1957 году, [7] а затем General Electric и другими компаниями примерно с 1960 года, и до сих пор производятся в небольших объемах. [8]
Туннельные диоды имеют сильно легированный положительный-отрицательный (PN) переход шириной около 10 нм (100 Å ). Сильное легирование приводит к нарушению запрещенной зоны , где состояния электронов зоны проводимости на N-стороне более или менее выровнены с состояниями дырок валентной зоны на P-стороне. Обычно они изготавливаются из германия , но также могут быть изготовлены из арсенида галлия , антимонида галлия (GaSb) и кремниевых материалов.
Отрицательное дифференциальное сопротивление в части их рабочего диапазона позволяет им функционировать как генераторы и усилители , а также в коммутационных схемах с использованием гистерезиса . Они также используются как преобразователи частоты и детекторы . [9] : 7–35 Их низкая емкость позволяет им функционировать на сверхвысоких частотах, намного превышающих диапазон обычных диодов и транзисторов .
Из-за своей низкой выходной мощности туннельные диоды не получили широкого распространения: их выходная радиочастота ограничена несколькими сотнями милливатт из-за их малого размаха напряжения. Однако в последние годы были разработаны новые устройства, использующие механизм туннелирования. Резонансно-туннельный диод (RTD) достиг некоторых из самых высоких частот среди всех твердотельных генераторов. [10]
Другой тип туннельного диода — диод металл-изолятор-изолятор-металл (MIIM), где дополнительный слой изолятора позволяет осуществлять « ступенчатое туннелирование » для более точного управления диодом. [11] Существует также диод металл-изолятор-металл (MIM), но из-за присущей ему чувствительности его нынешнее применение, по-видимому, ограничено исследовательскими средами. [12]
При нормальной работе прямого смещения , когда напряжение начинает расти, электроны сначала туннелируют через очень узкий барьер PN-перехода и заполняют электронные состояния в зоне проводимости на N-стороне, которые выстраиваются в ряд с пустыми дырочными состояниями валентной зоны на P-стороне PN-перехода. По мере дальнейшего увеличения напряжения эти состояния становятся все более невыровненными, и ток падает. Это называется отрицательным дифференциальным сопротивлением, потому что ток уменьшается с ростом напряжения. Когда напряжение увеличивается выше фиксированной точки перехода, диод начинает работать как обычный диод, где электроны перемещаются за счет проводимости через PN-переход, а не туннелируя через барьер P–N-перехода. Наиболее важной рабочей областью для туннельного диода является область «отрицательного сопротивления». Его график отличается от обычного диода PN-перехода.
При использовании в обратном направлении туннельные диоды называются обратными диодами (или обратными диодами ) и могут действовать как быстрые выпрямители с нулевым смещением напряжения и чрезвычайной линейностью для сигналов питания (они имеют точную квадратичную характеристику в обратном направлении). При обратном смещении заполненные состояния на стороне P становятся все более выровненными с пустыми состояниями на стороне N, и электроны теперь туннелируют через барьер перехода PN в обратном направлении.
В обычном полупроводниковом диоде проводимость происходит, когда PN-переход смещен в прямом направлении и блокирует ток, когда переход смещен в обратном направлении. Это происходит до точки, известной как «обратное напряжение пробоя», в которой начинается проводимость (часто сопровождающаяся разрушением устройства). В туннельном диоде концентрации легирующих примесей в слоях P и N увеличиваются до такого уровня, что обратное напряжение пробоя становится равным нулю , и диод проводит в обратном направлении. Однако при прямом смещении возникает эффект, называемый квантово-механическим туннелированием , который приводит к появлению области в его поведении напряжения в зависимости от тока, где увеличение прямого напряжения сопровождается уменьшением прямого тока. Эта область « отрицательного сопротивления » может быть использована в твердотельной версии динатронного генератора , который обычно использует тетродный термоэлектронный клапан ( вакуумную лампу ).
Туннельный диод показал большие перспективы как генератор и высокочастотное пороговое (триггерное) устройство, поскольку он работал на частотах, намного больших, чем мог тетрод: даже в микроволновых диапазонах. Применения туннельных диодов включали локальные генераторы для телевизионных тюнеров УВЧ , триггерные схемы в осциллографах , высокоскоростные схемы счетчиков и схемы генераторов импульсов с очень быстрым временем нарастания. В 1977 году спутниковый приемник Intelsat V использовал микрополосковый туннельный диодный усилитель (TDA) в диапазоне частот 14–15,5 ГГц. Такие усилители считались современными, с лучшими характеристиками на высоких частотах, чем любой транзисторный интерфейс. [13] Туннельный диод также может использоваться как малошумящий микроволновый усилитель. [9] : 13–64 С момента его открытия более традиционные полупроводниковые приборы превзошли его характеристики, используя традиционные методы генератора. Для многих целей трехконтактное устройство, такое как полевой транзистор, более гибко, чем устройство только с двумя клеммами. Практические туннельные диоды работают при нескольких миллиамперах и нескольких десятых вольта, что делает их маломощными устройствами. [14] Диод Ганна имеет схожие высокочастотные возможности и может выдерживать большую мощность.
Туннельные диоды также более устойчивы к ионизирующему излучению, чем другие диоды. [ необходима ссылка ] Это делает их хорошо подходящими для сред с более высоким уровнем радиации, например, тех, которые встречаются в космосе.
Туннельные диоды подвержены повреждениям при перегреве, поэтому при их пайке требуется особая осторожность.
Туннельные диоды отличаются своей долговечностью, и устройства, изготовленные в 1960-х годах, все еще функционируют. В своей статье в Nature Эсаки и соавторы утверждают, что полупроводниковые приборы в целом чрезвычайно стабильны, и предполагают, что их срок годности должен быть «бесконечным», если хранить их при комнатной температуре . Далее они сообщают, что мелкомасштабное испытание 50-летних приборов показало «удовлетворительное подтверждение долговечности диода». Как было замечено на некоторых образцах диодов Эсаки, позолоченные железные штырьки могут фактически подвергаться коррозии и замыканию на корпус. Обычно это можно диагностировать и лечить с помощью простого метода перекиси/уксуса, обычно используемого для ремонта печатных плат телефонов, и диод внутри обычно все еще работает. [15]
Излишки российских компонентов также надежны и часто могут быть куплены за несколько пенсов, несмотря на то, что первоначальная стоимость находится в диапазоне £30–50. Обычно продаваемые блоки основаны на GaAs и имеют отношение Ipk ⁄ Iv 5 : 1 при Ipk около 1–20 мА , и поэтому должны быть защищены от перегрузки по току. [ 16]
