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 во время работы в токийской компании Tsushin Kogyo, ныне известной как Sony . [1] [2] В 1973 году Эсаки получил Нобелевскую премию по физике за экспериментальную демонстрацию эффекта туннелирования электронов в полупроводниках. [3] Роберт Нойс независимо разработал идею туннельного диода, работая на Уильяма Шокли , но ему не хотелось ее реализовывать. [4] Туннельные диоды были впервые произведены Sony в 1957 году, [5] а затем General Electric и другими компаниями примерно с 1960 года, и до сих пор производятся в небольших объемах. [6]
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 совпадают с дырочными состояниями валентной зоны на P-стороне. Обычно они изготавливаются из германия , но также могут быть изготовлены из арсенида галлия и кремниевых материалов.
Отрицательное дифференциальное сопротивление в части рабочего диапазона позволяет им работать в качестве генераторов и усилителей , а также в схемах переключения с использованием гистерезиса . Они также используются в качестве преобразователей частоты и детекторов . [7] : 7–35 Их низкая емкость позволяет им работать на микроволновых частотах, намного превышающих диапазон обычных диодов и транзисторов .
Из-за низкой выходной мощности туннельные диоды не получили широкого распространения: их радиочастотная мощность ограничена несколькими сотнями милливатт из-за небольшого размаха напряжения. Однако в последние годы были разработаны новые устройства, использующие туннельный механизм. Резонансно -туннельный диод (RTD) достиг одних из самых высоких частот среди всех твердотельных генераторов. [8]
Другой тип туннельного диода — это диод металл-изолятор-изолятор-металл (MIIM), в котором дополнительный изолирующий слой обеспечивает « ступенчатое туннелирование » для более точного управления диодом. [9] Существует также диод металл-изолятор-металл (МИМ), но из-за присущей ему чувствительности его нынешнее применение, по-видимому, ограничивается исследовательской средой. [10]
При нормальном режиме прямого смещения , когда напряжение начинает увеличиваться, электроны сначала туннелируют через очень узкий барьер PN-перехода и заполняют электронные состояния в зоне проводимости на N-стороне, которые выравниваются с дырочными состояниями пустой валентной зоны на P-стороне. PN-перехода. По мере дальнейшего увеличения напряжения эти состояния становятся все более рассогласованными, и ток падает. Это называется отрицательным дифференциальным сопротивлением , поскольку ток уменьшается с увеличением напряжения. Когда напряжение увеличивается за пределы фиксированной точки перехода, диод начинает работать как обычный диод, в котором электроны перемещаются за счет проводимости через PN-переход, а не туннелируют через барьер P-N-перехода. Наиболее важной рабочей областью туннельного диода является область «отрицательного сопротивления». Его график отличается от графика обычного диода с PN-переходом.
При использовании в обратном направлении туннельные диоды называются обратными диодами (или обратными диодами ) и могут действовать как быстрые выпрямители с нулевым напряжением смещения и исключительной линейностью для силовых сигналов (они имеют точную квадратичную характеристику в обратном направлении). При обратном смещении заполненные состояния на стороне P все больше выравниваются с пустыми состояниями на стороне N, и электроны теперь туннелируют через барьер PN-перехода в обратном направлении.
В обычном полупроводниковом диоде проводимость имеет место, когда PN-переход смещен в прямом направлении, и блокирует ток, когда переход смещен в обратном направлении. Это происходит до точки, известной как «напряжение обратного пробоя», в которой начинается проводимость (часто сопровождающаяся разрушением устройства). В туннельном диоде концентрации легирующей примеси в слоях P и N увеличиваются до такого уровня, что напряжение обратного пробоя становится равным нулю и диод проводит ток в обратном направлении. Однако при прямом смещении возникает эффект, называемый квантовомеханическим туннелированием , который приводит к появлению области в зависимости напряжения от тока, где увеличение прямого напряжения сопровождается уменьшением прямого тока. Эту область « отрицательного сопротивления » можно использовать в твердотельной версии динатронного генератора , в котором обычно используется тетродный термоэмиссионный клапан ( вакуумная лампа ).
Туннельный диод показал большие перспективы в качестве генератора и высокочастотного порогового (триггерного) устройства, поскольку он работал на частотах, намного превышающих возможности тетрода: даже в микроволновых диапазонах. Туннельные диоды применяются в гетеродинах для телевизионных тюнеров УВЧ , триггерных схемах в осциллографах , схемах высокоскоростных счетчиков и схемах генераторов импульсов с очень быстрым нарастанием времени. В 1977 году спутниковый приемник Intelsat V использовал входной каскад микрополоскового туннельного диодного усилителя (TDA) в диапазоне частот 14–15,5 ГГц. Такие усилители считались самыми современными, с лучшими характеристиками на высоких частотах, чем любой транзисторный входной каскад. [11] Туннельный диод также можно использовать в качестве малошумящего усилителя СВЧ. [7] : 13–64 С момента своего открытия более традиционные полупроводниковые устройства превзошли его производительность, используя традиционные методы генерации генераторов. Для многих целей устройство с тремя выводами, такое как полевой транзистор, является более гибким, чем устройство только с двумя выводами. Практичные туннельные диоды работают при токе в несколько миллиампер и несколько десятых вольт, что делает их устройствами малой мощности. [12] Диод Ганна имеет аналогичные высокочастотные характеристики и может выдерживать большую мощность.
Туннельные диоды также более устойчивы к ионизирующему излучению, чем другие диоды. [ нужна цитата ] Это делает их хорошо подходящими для условий с более высоким уровнем радиации, например, в космосе.
Туннельные диоды подвержены повреждению при перегреве, поэтому при их пайке необходима особая осторожность.
Туннельные диоды отличаются долговечностью: устройства, выпущенные в 1960-х годах, до сих пор функционируют. В статье для журнала Nature Эсаки и соавторы заявляют, что полупроводниковые устройства в целом чрезвычайно стабильны, и предполагают, что срок их хранения должен быть «бесконечным», если хранить их при комнатной температуре . Далее они сообщают, что мелкомасштабное испытание устройств 50-летней давности дало «отрадное подтверждение долговечности диода». Как было замечено на некоторых образцах диодов Esaki, позолоченные железные контакты могут подвергнуться коррозии и замкнуться на корпус. Обычно это можно диагностировать и лечить с помощью простого метода перекиси/уксуса, который обычно используется для ремонта печатных плат телефона, и внутренний диод обычно все еще работает. [13]
Излишки российских компонентов также надежны, и их часто можно купить за несколько пенсов, несмотря на то, что первоначальная стоимость находится в диапазоне 30–50 фунтов стерлингов. Обычно продаваемые устройства основаны на GaAs и имеют соотношение Ipk / Iv 5:1 при токе около 1–20 мА Ipk , поэтому они должны быть защищены от перегрузки по току . [14]
