Удивителен полупроводников уред - тунелен диод

Когато изучаваме механизма на изправяне променлив ток на контактната зона на две различни носители - полупроводник и метал, е изказана хипотеза, че тя се основава на т. нар. тунелиращ ефект на носителите на заряд. Въпреки това, по това време (1932 г.) нивото на развитие на полупроводниковите технологии не ни позволи да потвърдим предполагаемостта от опита. Едва през 1958 г. японският учен Esaki успява да го потвърди блестящо, като създаде първия диод на тунела. Благодарение на невероятните си качества (по-специално скоростта), това устройство привлича вниманието на специалисти от различни технически области. Тук си струва да се обясни, че диодът е електронно устройство, което е комбинация от два различни материала в един случай с различни видове проводимост. Следователно електрическият ток може да преминава през него само в една посока. Повдигането на полярността води до "затваряне" на диода и увеличаване на съпротивлението му. Увеличаването на напрежението води до "разпадане".

Помислете как работи тунелният диод. Класически токоизправител полупроводникови устройства използва кристали с количество примеси не повече от 10 до мощност от 17 (-3 сантиметра). И тъй като този параметър е пряко свързан с броя на превозвачите с безплатна такса, се оказва, че последният никога не може да бъде по-голям от определената граница.

Има формула, която ни позволява да определим дебелината на междинната зона (p-n прехода):

L = ((Е * (Uk-U)) / (2 * Pi * q)) * ((Na + Nd)

където Na и Nd - броят на йонизираните акцептори и донори, съответно - Pi - 3.1416 - р - стойност заряд на електронно- U е входното напрежение, Великобритания е потенциалната разлика в преходната секция, Е е стойността диелектрична константа.

Последица от формулата е фактът, че връзката p-n на класическия диод се характеризира с ниска сила на полето и относително голяма дебелина. За да могат електроните да влязат в свободната зона, те се нуждаят от допълнителна енергия (предадена отвън).

Тунелен диод се използват в тяхната конструкция такива видове полупроводници, които променят съдържанието на онечистване на 10 до 20 градуса (степен -3 cm), която е за различен от класическите. Това води до драматично намаляване на дебелината на прехода, рязкото увеличение на интензивността на полето в областта на р-п и, следователно, появата на преход тунел при въвеждане на електрона да валентната зона не се нуждае от допълнителна енергия. Това е така, защото енергийно ниво частиците не се променят с преминаването на бариерата. Тунелният диод може лесно да се различава от конвенционалните характеристика на тока-напрежение. Този ефект създава един вид разплискване върху него - отрицателна стойност на диференциалната съпротива. Поради това тунелиране диоди са широко използвани в високочестотни устройства (дебелина празнина намаляване р-п прави такова устройство с висока скорост), точно измерване, генератори, и, разбира се, компютри.

Въпреки текущата тунелен ефект тя може да тече и в двете посоки, с директна връзка на диода, интензивността в преходната зона се увеличава, намалявайки броя на електроните, способни на тунелиране. Увеличаването на напрежението води до пълното изчезване на тунелния ток и ефектът е само върху обикновените дифузни (както при класическите диоди).

Съществува и друг представител на такива устройства - обратен диод. Това е същият тунелен диод, но с променени свойства. Разликата е, че стойността на проводимостта при обратната връзка, при която обикновеното ректифициращо устройство "затваря", е по-високо от това при преките. Останалите свойства съответстват на тунелния диод: скорост, малък вътрешен шум, способност за изправяне на променливите компоненти.