Туннельный эффект, туннельный диод

  Во-первых, переход от материала  электронной проводимости к материалу с дырочной проводимостью должен быть очень резким, так как толщина переходного слоя должна быть малой, около 100 A°, чтобы повысить вероятность туннельного эффекта.

  Во-вторых, переход должен быть образован вырожденными полупроводниками, чтобы обеспечить перекрытие зон.

  Первое из этих требований  предполагает применение особой технологии получения p-n-перехода, в то время как для выполнения второго требования необходимо применять сильнолегированный материал.

  В настоящее время туннельные диоды можно изготавливать двумя методами: сплавлением и выращиванием из газовой фазы. Оба метода позволяют получить резкое распределение примесей в переходе и сильнолегированные области материала. Метод сплавления наиболее прост, поэтому и шире распространен для получения туннельных диодов. Температурный режим плавки имеет ряд особенностей, которые предотвращают диффузию примесей при сплавлении. Точечное сплавление может быть осуществлено и с помощью лазерного источника света с узким пучком большой мощности.

  Второе требование выполняется добавлением в материал легирующих примесей, обладающих большой растворимостью в твердой фазе полупроводника. Из-за высокого значения критической концентрации примесей, при которой наступает вырождение (для германия —около 2·10¹⁹ см⁻³, для кремния — около 6·10¹⁹ см⁻³), металлы, применяемые для легирования обычных p-n-переходов, не могут быть использованы ввиду своей ограниченной растворимости. Наилучшими донорами для германия являются фосфор и мышьяк, а акцепторами — галлий и алюминий. Для кремния лучшими акцепторами будут бор и галлий, а донорами — мышьяк, фосфор и сурьма. Следует отметить, что и эти примеси имеют предельную концентрацию растворения (около 10²⁰ — 10²¹ см⁻³). В качестве исходного вещества допускается использование и поликристаллического материала. При этом наблюдается некоторое ухудшение характеристик туннельного диода по сравнению с диодами из монокристаллов.

 

Параметры туннельного диода и их определение.

Основные параметры туннельного  диода и его эквивалентная  схема.

 Большинство основных электрических параметров туннельного диода определяется из его вольтамперной характеристики (см. рис. 8):

I₁ — максимальный туннельный ток, или пиковый ток;

I₂ — минимальный ток;

ΔI= I₁₋ I₁ — перепад токов;

u₁ — напряжение, соответствующее максимальному току;

u₂ — напряжение, соответствующее минимальному току;

u₃ — напряжение, соответствующее диффузионному току, равному току максимума;

Δu= u₃ −u₁ —скачок напряжения при переходе с туннельной ветви характеристики на диффузионную;

Δu₂ ≈u₂ — скачок напряжения при переходе с диффузионной ветви на туннельную.

 Производными параметрами являются величина отношения тока максимума к току минимума I₁/I₂ и средняя величина отрицательного сопротивления на падающем участке вольтамперной характеристики туннельного диода.

  Дополнительные параметры могут быть получены из эквивалентной схемы туннельного диода в области отрицательного сопротивления (рис. 9). Верхняя часть схемы содержит элементы собственно диода, а нижняя — элементы внешней цепи туннельного диода. Здесь R_- представляет собой отрицательное сопротивление туннельного диода; С — емкость p-n-перехода, шунтирующая это сопротивление;

r — объемное сопротивление материала прибора; L — индуктивности выводов; r_вн, L_вн —элементы,   учитывающие  параметры внешних проводов и внутренние параметры источника. Следует отметить, что из-за сильного легирования материала время жизни носителей будет очень мало, а значит будет мала и диффузионная емкость. Основную долю емкости C будет составлять емкость p-n-перехода, которая зависит от напряжения на переходе следующим образом:

где Cо — значение емкости при нулевом напряжении на переходе;

       φ_k — контактная разность потенциалов.

  Важным параметром туннельного диода, позволяющим сравнивать приборы, изготовленные из различных материалов, является отношение тока максимума диода к емкости I₁/C, называемым фактором качества. Равноценным обратной величине этого параметра является параметр R₋·C·(C/I₁ = k·R₋·C, где k — постоянная, зависящая от типа материала, k ≈ 0.2 в⁻¹ для германия и

k ≈ 0.5 в⁻¹ для арсенида галлия).

  Числовые значения  этих параметров зависят от  материала, концентрации примесей, конструктивного оформления прибора и лежат в пределах: для |R₋|=5 — 500 Ом; для C= 1— 200 пф; для L=10⁻⁸ − 10⁻⁹ гн (диоды с гибкими выводами), 10⁻⁹ − lO⁻¹⁰ гн (для диодов в высокочастотных патронах). Величина R может быть уменьшена и до тысячных долей;

ома (разработаны туннельные диоды с пиковым током r. 300 а).

 

Зависимость параметров от температуры.

  Сильное легирование  материала туннельного диода  обеспечивает возможность работы прибора в широком температурном диапазоне. Тем не менее, для правильного конструирования схем с туннельными диодами необходимо знать поведение основных параметров диода при изменении температуры.

  Теоретические исследования показали, а практические опыты подтвердили зависимость температурной стабильности параметров туннельного диода от типа материала и степени его легирования. Поскольку концентрации примесей имеют значительный разброс (даже у приборов одного типа), постольку температурные зависимости могут меняться от диода к диоду и для выявления закономерностей этих зависимостей необходимы массовые испытания.

  Наибольшим исследованиям подвергались  температурные зависимости тока  максимума и минимума вольтамперной  характеристики. Характер зависимости тока максимума от температуры определяется типом материала, на основе которого сделан туннельный диод, и степенью его легирования. Вид этой зависимости определяется суммарным влиянием двух факторов, действующих в противоположных направлениях:

   изменение ширины запрещенной  зоны материала, что приводит к изменению вероятности туннелирования электронов;

   изменение с температурой  статистических факторов, учитывающих плотность энергетических состояний и их заселенность в полупроводнике.

  Второй фактор будет определяющим  при малом вырождении материала (относительно слабое легирование), когда туннельный ток обусловлен электронами с энергетических уровней, расположенных около уровня Ферми. С увеличением температуры в этом случае будет наблюдаться уменьшение тока максимума, так как изменится заселенность энергетических уровней. Поэтому туннельные диоды на основе германия n-типа обладают отрицательным температурным коэффициентом тока максимума порядка 0.2—0,3%° C, потому что концентрация примесей в рекристаллизованной области ограничена значением 6·10¹⁹ см³.

  Изменение ширины запрещенной  зоны с температурой будет определяющим в диодах с сильным легированием, так как при глубоком вырождении ток будет определяться туннелированием электронов с уровней, энергия которых значительно меньше энергии, соответствующей уровню Ферми. С ростом температуры ток максимума должен расти (из-за повышения вероятности туннельного эффекта) при уменьшении ширины запрещенной зоны, что наблюдается и на практике у диодов на основе германия p-типа, начиная с определенной концентрации примесей в них (примерно 6·10¹⁹ см⁻³).

  Зависимость характера изменения тока максимума туннельного диода с температурой от степени легирования позволяет подобрать такую концентрацию примесей в материале, при которой в широком температурном диапазоне будет наблюдаться малое изменение тока максимума. О величине концентрации примесей можно судить по определяемому ей напряжению u₁, соответствующему току максимума диода. Так, германиевые туннельные диоды с напряжением u₁ 56 — 60 мв обладают минимальной зависимостью тока максимума в диапазоне 100° C.

  Зависимость тока минимума I₂ (избыточный туннельный ток) от температуры определяется изменением ширины запрещенной зоны, так как заселенность промежуточных энергетических уровней, переход электронов через которые определяет избыточный ток, не зависит от температуры, потому что они значительно удалены от уровня Ферми. Поэтому с ростом температуры ток минимума увеличивается главным образом из-за уменьшения ширины запрещенной зоны.

  Отношение тока максимума к току минимума I₁/I₂ обычно уменьшается с ростом температуры, причем (для диодов на основе германия n-типа) тем сильнее, чем больше это отношение.

Температурные зависимости напряжения u₁, соответствующего максимуму туннельного тока, напряжения u₀, соответствующего минимальному значению отрицательного сопротивления, и напряжения u_1xR, соответствующего минимальному дробовому шуму p-n-перехода, определяются в основном степенью легирования n-области и ослабевают с ростом концентрации примесей в ней. Обычно эти напряжения меняются мало и при увеличении температуры незначительно уменьшаются. Напряжение u₂, соответствующее минимуму туннельного тока, с повышением температуры также уменьшается (из-за возрастания диффузионной составляющей тока). Температурный коэффициент напряжения из близок к температурному коэффициенту напряжения обычных германиевых диодов, включенных в прямом направлении.

  Что касается туннельных  диодов на основе кремния и  интерметаллических соединений, то отсутствие достаточного количества опубликованных данных по исследованию температурных зависимостей параметров не дает возможности в настоящий момент сделать обобщающие выводы и установить закономерности. Однако качественные предположения об этих зависимостях могут быть сделаны на основе зонной структуры этих полупроводников. Так, зависимость тока максимума от температуры туннельных диодов из интерметаллических соединений будет по характеру подобна этой зависимости у германиевых диодов, так как в этих соединениях предполагаются прямые туннельные переходы (без взаимодействия электрона с решеткой). В кремнии, где туннельные переходы не прямые (с определенным взаимодействием электрона с решеткой), при увеличении температуры будет наблюдаться рост тока максимума. Можно с уверенностью сказать, что экспериментальные данные по этим материалам, которые, вероятно, будут опубликованы в ближайшее время, позволят установить характер температурных зависимостей основных параметров туннельных диодов из этих полупроводников.

 

Зависимость параметров туннельного диода от свойств полупроводникового материала. Сравнительная оценка диодов из разных материалов.

  Чтобы полностью  понять физику работы туннельного диода и выяснить возможность изготовления приборов с заданными параметрами, определяемыми областью применения диода, необходимо найти зависимость основных параметров от степени легирования полупроводникового материала и от типа материала. Знание таких зависимостей позволит осмысленно подойти к выбору типа материала, на основе которого будет изготовлен туннельный диод, и необходимой степени легирования, обеспечивающей получение требуемых свойств готового прибора.

  Теоретическое изучение степени легирования p- и n-областей туннельного диода показало его сильное влияние на вольтамперную характеристику туннельного диода. Это влияние может быть показано на примере германиевых туннельных диодов, приняв во внимание, что концентрация примесей в p-области диода превосходит концентрацию примесей в n-области.

  При увеличении концентрации доноров в n-области изменение вольтамперной характеристики туннельного диода лучше всего проследить на анализе зонной диаграммы, используя рис. 6, где представлен случай одинакового легирования p- и n-областей диода. Легко заметить, что ток максимума характеристики диода будет увеличиваться при почти неизменном напряжении u₁, соответствующем этому току, так как ток в прямом направлении определяется туннельным переходом электронов проводимости n-области, число которых возрастает при увеличении концентрации доноров. Соответствующие этому случаю вольтамперные характеристики туннельного диода представлены на рис. 10, а.

  Несколько иная картина получается при увеличении степени легирования p-области. При этом будет возрастать не только ток максимума, но и напряжение u₁ (рис. 10,6), что потребуется для компенсации возросшего обратного потока носителей, определяемого туннельным переходом валентных электронов дырочной области. Экспериментальные данные, совпадающие с теорией, свидетельствуют о том. что главное влияние на характер зависимости тока максимума от степени легирования материала оказывает изменение вероятности туннелирования электронов сквозь барьер. Эта вероятность зависит от толщины барьера (p-n-перехода) и, следовательно, от приведенной концентрации основных носителей пp/(п+p). С возрастанием концентрации доноров или акцепторов ширина перехода уменьшается, что повышает вероятность туннелирования и приводит к росту тока через переход. Интересно отметить, что туннельные диоды на основе германия p-типа могут быть изготовлены со значительно большим отношением

 I₁/С чем у диодов на основе германия n-типа, так как у первых возможна большая концентрация акцепторов в рекристаллизованной области.                                    

  Из сказанного выше видно, что величина напряжения u₁ почти не зависит от концентрации примесей в n-области и растет с увеличением концентрации примесей в p-области. Напряжение u₂, соответствующее минимуму тока, увеличивается с ростом степени легирования как p-, так и n-области.

  Что касается температурной зависимости туннельного тока, то, как мы видели в параграфе, она определяется степенью вырождения p- и n-областей туннельного диода.

  Величина отрицательного сопротивления в зависимости от концентрации доноров и акцепторов различается как по абсолютной величине, так и по характеру своего изменения от напряжения. Минимальная величина отрицательного сопротивления при данной площади перехода определяется максимальной растворимостью примесей в полупроводнике, т. е. максимальным значением приведенной концентрации    пр/{п+р). Так как емкость p-n-перехода также определяется значением приведенной концентрации (для данной площади), то постоянная времени R С не зависит от площади перехода, а будет почти экспоненциально расти с концентрацией примесей.