Pārsteidzoša pusvadītāju ierīce - tuneļa diode

Pie šī sprieguma caur p-n-pāreju parādās parastā difūzijas iesmidzināšanas strāva. Palielinoties tiešajam spriegumam U > U2, tiešā strāva palielināsies, tāpat kā parastajās taisngriežu diodēs.

Ar pretējo spriegumu U< 0 опять возникают условия для туннельного перехода электронов с заполненных уровней валентной зоны p-области на свободные уровни зоны проводимости n-области. Через диод потечёт обратный ток в направлении от n-области к p-области. tuneļa diode ir salīdzinoši augsta vadītspēja pie apgrieztā sprieguma.

Tādējādi tuneļdiodei ir negatīva diferenciālā pretestība noteiktā tiešā sprieguma diapazonā, kas ļauj to izmantot svārstību ģenerēšanai un pastiprināšanai, kā arī komutācijas ķēdēs.

Tuneļdiožu priekšrocība ir augstas darbības frekvences, līdz pat mikroviļņu krāsnij, zems trokšņu līmenis, augsta temperatūras stabilitāte, augsts strāvas blīvums (10 3 -10 4 A / cm 2).

Kā trūkums jāatzīmē zemā jauda zemā darba sprieguma dēļ un spēcīgais elektriskais savienojums starp ieeju un izeju, kas apgrūtina to lietošanu.

Dažādas tuneļdiodes ir apgrieztās diodes, kas izgatavotas uz pusvadītāja bāzes ar piemaisījumu koncentrāciju diodes p un n apgabalos, kas ir mazāki nekā tunelī, bet lielāki nekā parastajās taisngriežu diodēs.

Tuneļdiožu parametri

Maksimālā strāva Ip (no simtiem mikroampēru līdz simtiem miliamperu).

Maksimālais spriegums U p - tiešais spriegums, kas atbilst strāvai Ip.

Ielejas strāva Iv, kas atbilst spriegumam Uv.

Ielejas spriegums ir tiešais spriegums, kas atbilst strāvai Iv.

Strāvu Ip / Iv attiecība. Tuneļdiodēm no GaAs attiecība Ip / Iv ≥10, germānijam ir 3-6.

Risinājuma spriegums Ur ir tipiskajai strāvai atbilstošs priekšējais spriegums I–V raksturlīknes otrajā augošā zarā, kas nosaka iespējamo sprieguma lēcienu uz slodzi tuneļa diodes darbības laikā komutācijas ķēdē.

Negatīvā diferenciālā pretestība Rdif=dU/dI, noteikta krītošā segmenta BAX vidū.

Īpatnējā kapacitāte Sd / Ip - tuneļa diodes kapacitātes attiecība pret maksimālo strāvu.

Ierobežojošā pretestības frekvence fr ir frekvence, kurā pazūd diodes pretestības aktīvā sastāvdaļa.

Rezonanses frekvence f0 ir frekvence, kurā izzūd pretestības reaktīvā sastāvdaļa.

Darba beigas -

Šī tēma pieder:

Aprēķiniet vienkāršu TTL vārtu izejas tranzistora minimālo pastiprinājumu

Kreisajā pusē ir TTL vārsts, nevis labajā pusē ir tā pārvades raksturlielums ... Elektroinstalācijas shēma TTL vārsts ar sarežģītu invertoru...

Ja jums ir nepieciešams papildu materiāls par šo tēmu vai jūs neatradāt to, ko meklējāt, mēs iesakām izmantot meklēšanu mūsu darbu datubāzē:

Ko darīsim ar saņemto materiālu:

Ja šis materiāls jums izrādījās noderīgs, varat to saglabāt savā lapā sociālajos tīklos:

Visas tēmas šajā sadaļā:

Šotkija tranzistora darbības princips.
Šotkija tranzistori atšķiras no parastajiem bipolārajiem tranzistoriem ar to, ka tie nenokļūst dziļā piesātinājumā, tāpēc to bāzēs atvērtā stāvoklī uzkrājas maz lādiņu nesēju, un

Kā apstarošana ietekmē p-n krustojuma īpašības.
Integrēto shēmu (IC) reakcija uz jonizējošo starojumu galvenokārt ir saistīta ar to elementu parametru atkarību no pārvietošanās un jonizācijas ietekmes. Savukārt konkrēta veida

Mērogošana. Pamatprincipi
Pat ar vienādu minimālo izmēru projektēšanas normas parasti atšķiras starp uzņēmumiem un procesiem. Tas padara uzdevumu pārnest esošo attīstību uz citu procesu par ļoti biedējošu uzdevumu.

Tranzistora darbības princips apgrieztā režīmā
Bipolāru tranzistoru sauc par elektriski pārveidotāju pusvadītāju ierīce, kura struktūrā ir divi savstarpēji mijiedarbojoši p-n krustojumi un trīs ārējie izvadi, un tas ir īpaši paredzēts

Mūra pirmais un otrais likums.
Mūra likums ir empīrisks novērojums, kas veikts 1964. gadā (sešus gadus pēc integrālās shēmas izgudrošanas), G. Mūra (viena no Intel dibinātājiem) runas sagatavošanas procesā. Viņš ir augsts

Tiristors. Darbības princips

Integrālo shēmu dinamisko parametru mērīšanas metode.
Dinamiskie parametri, kas raksturo mikroshēmas īpašības komutācijas režīmā, ietver: signāla aiztures laiku, kad tas ir ieslēgts - laika intervālu starp ieejas un izejas impulsiem.

Integrēto kondensatoru veidi
Kondensatoru darbības princips ir balstīts uz spēju uzkrāt elektriskos lādiņus uz plāksnēm, kad starp tām tiek pielikts spriegums. Kvantitatīvais mērs spējai uzkrāt elektrisko

Vārtu masīvi
Vārtu masīva struktūra sastāv no tā sauktajām pamata šūnām (vārtiem) un savienojumiem starp tiem, kas realizēti mikroshēmā, izmantojot kanālu tehnoloģiju. CellsContain

Strukturālie un termiskie ierobežojumi integrālo shēmu projektēšanā
Projektēšanas kodu definēšanas pamatvienība ir minimālais līnijas platums. i., minimālais fotomaskas izmērs, ko var droši pārnest uz pusvadītājiem

Bipolārā tranzistora Ebers-Moll modelis
Ebers-Moll pārneses modelis Modelis ir balstīts uz līdzvērtīgu shēmu. Aprēķinu formulas, apvienot sistēmā

Bipolārā tranzistora ieslēgšanas veidi.
Jebkurai tranzistora komutācijas shēmai ir raksturīgi divi galvenie indikatori: Strāvas pastiprinājums Iout / Iin. Ieejas pretestība Rin=Uin/Iin

Lauka efekta tranzistors. Darbības princips
Ir divu veidu lauka efekta tranzistori: ar vadības pāreju un ar izolētiem vārtiem. Visiem tiem ir trīs elektrodi: avots (strāvas nesēju avots), vārti (vadības elektrods) un drenāža (elektrods).

Lauka tranzistors ar vadības p-n pāreju
Rīsi. 1. Lauka efekta tranzistora ierīce ar vadību p-n krustojums FET ar pārvaldīt p-n krustojums ir lauka efekta tranzistors, kura vārti ir izolēti (tad

bipolārs tranzistors. Darbības princips
Bipolārais tranzistors ir trīs elektrodu pusvadītāju ierīce, viens no tranzistoru veidiem. Elektrodi ir savienoti ar trīs secīgiem pusvadītāja slāņiem ar a

Mūsdienīgas automātiskās identifikācijas sistēmas.
Pamatinformācija: biometriskie pirkstu nospiedumu svītrkodi un RFID mikroshēmu kartes (tas ir tas, ko viņš jautās lielāko daļu laika!!!) Visiem ir trūkumi attiecībā uz precizitāti un apjomīgumu.

Pusvadītāju ierīces ar N-veida raksturlielumiem.
S-ierīces ir pusvadītāju ierīces, kuru darbība balstās uz S-veida strāvas-sprieguma raksturlīkni, uz kuras atrodas viena (AB) vai vairākas sekcijas ar negatīvu pretestību. Puspr

Loģisko elementu parametru sistēma.
Digitālo integrālo shēmu galvenie parametri ir to ātrums, jaudas patēriņš, ieejas kombinēšanas faktors, izejas atzarošanas koeficients, stabilitāte pret ārējo

Pusvadītāju ierīces ar negatīvu pretestību.
Tiristors ir bistabila pusvadītāju ierīce, kurai ir trīs vai vairāk savstarpēji mijiedarbojoši taisngrieži un kuras strāvas-sprieguma raksturlīknei ir sekcija ar negatīvu.

Vairāku emiteru tranzistora konstrukcija un darbība.
Vairāku izstarotāju tranzistors (MET) ir bipolārs tranzistors, kuram ir vairāki emitētāju reģioni. Ir MET, kuros emitētāju reģionus apvieno viens ārējs terminālis, un MET, kuros

Mūra likums. Integrālo shēmu integrācijas pakāpe.
Mūra likums - empīrisks novērojums, kas veikts 1965. gadā (sešus gadus pēc integrālās shēmas izgudrošanas), Gordona Mūra (viena no dibinātājiem) runas sagatavošanas procesā.

Daudzslāņu pusvadītāju struktūras
Patiesībā, lai izpildītu abus nosacījumus, kristālā nepietiek ar vienu pn pāreju, un ir jāizgatavo daudzslāņu pusvadītāju struktūras, tā sauktie heterosti.

iesmidzināšanas vārsts. Darbības princips.
Bāze loģiskais elements(LE) literatūrā sauc par vārstu. Integrālās iesmidzināšanas loģikas elementi ir labvēlīgi salīdzināmi ar tehnoloģijas un dizaina vienkāršību, jo tie sastāv no bipolāriem tranzistoriem.

Integrālā rezistora parametru aprēķins.
Visi aprēķini tiek veikti saskaņā ar vienkāršotu shēmu, izmantojot tabulas vērtības no atsauces grāmatas. Izvēlieties rezistora bāzes apgabala platumu: Zemas pretestības rezistori ar nominālu R ≤ 1 k

Bipolārā tranzistora pastiprinājuma formula.
Viens no svarīgākajiem bipolārā tranzistora pielietojumiem ir svārstību pastiprināšana. Tranzistora ieejai tiek pievadīts mazjaudas vadības signāls. Ieejas mainīga signāla ietekmē,

Kāda ir atšķirība starp pn pārejas reālo strāvas-sprieguma raksturlielumu no teorētiskā.
Strāvas-sprieguma raksturlielums p-n savienojumam ir caur p-n krustojumu esošās strāvas atkarība no pielietotā sprieguma lieluma un polaritātes. Atvasinot strāvas-sprieguma raksturlielumu, varat

Šotkija diode (arī pareizi Schottky, saīsināti kā DSh) ir pusvadītāju diode ar nelielu sprieguma kritumu, ja tie ir savienoti tieši. Šotkija diodēs kā barjera tiek izmantots metāla-pusvadītāju savienojums

Kā sauc ierīces, kuru pamatā ir metāla un pusvadītāju kontakts?
Šotkija diode (arī pareizi Schottky, saīsināti kā DSh) ir pusvadītāju diode ar nelielu sprieguma kritumu, ja tie ir savienoti tieši. Šotkija diodēs tiek izmantots metāla-pusvadītāju savienojums

Uzzīmējiet izolēta vārtu tranzistora diagrammu un izskaidrojiet tā darbības principu.
Izolēti vārtu tranzistori.Izolēta vārtu lauka efekta tranzistors ir tranzistors, kura vārti ir elektriski atdalīti no kanāla ar dielektrisku slāni. fi

Izskaidrojiet dinistora darbības principu.
Tiristori ir parastais nosaukums četrslāņu un piecu slāņu pusvadītāju ierīcēm, kurām ir šāda struktūra tips P-N-P-N vai P-N-P-N-P. Dinistors ir tiristors, kuram ir tikai divas izejas.

Nosauc tiristoru parametrus.
Tiristors ir pusvadītāju ierīce ar trim (vai vairākiem) p-n savienojumiem, kuras strāvas-sprieguma raksturlielumam ir sekcija ar negatīvu diferenciālo pretestību un kuru izmanto

Kas ir pielāgotas un daļēji pielāgotas integrālās shēmas.
Atšķirībā no standarta integrālajām shēmām (IC), pielāgotas integrālās shēmas (Customer Specific Integrated Circuit — CSIC) ir izstrādātas atbilstoši klienta prasībām un ir paredzētas

Kondensatora kapacitātes (MDP - process) atkarība no pielietotā sprieguma polaritātes
Viena no visizplatītākajām metodēm metālu – dielektrisku – pusvadītāju konstrukciju īpašību izpētei ir metode, kuras pamatā ir MIS struktūras SMDPot kapacitātes atkarības no analīzi.

Kondensatora kapacitātes (MDP - process) atkarība no frekvences.
MIS struktūru kapacitātes-sprieguma raksturlielumu eksperimentālajā mērījumā liela nozīme ir mērīšanas signāla frekvencei ω. Tas ir saistīts ar faktu, ka notiek uztveršanas un izmešanas uz virsmu procesi

Kondensatora kapacitātes (bipolārais tehniskais process) atkarība no sprieguma.
Kā kondensatori, t.i., pusvadītāju IC pasīvie elementi, apgriezti nobīdīti p-n pārejas, iespējams izmantot uz priekšu nobīdītās pārejas. Kr

Uzzīmējiet diagrammu enerģijas patēriņa un frekvences attiecībai CMOS shēmām.
CMOS ierīču darbības nodrošināšana mazjaudas režīmā

Uzzīmējiet bipolārā tranzistora vertikālo struktūru ar Šotkija diodi.
Visplašāk lietotajiem tranzistoriem ir vertikāla struktūra, kurā visi izvadi no tranzistoru apgabaliem atrodas vienā plaknē uz pamatnes virsmas.Šāda struktūra nav

Gredzena ģeneratora uzbūves princips.
Gredzena oscilatorus visplašāk izmanto, lai izmērītu LE vidējo aizkavi LSI. Šīm LE ir ļoti mazas slodzes kapacitātes salīdzinājumā ar ieejas kapacitāti mērierīce, uz

Loģisko vārtu darbības princips ar trīs stabiliem stāvokļiem.
LE CMOS ir ļoti viegli ieviest elementus ar trīs stabiliem stāvokļiem. Lai to izdarītu, divi komplementāri tranzistori VT1, VT4 ir savienoti virknē ar invertora tranzistoriem (20. attēls, a), vadība

Temperatūras ietekme uz bipolārā tranzistora parametriem.
Temperatūras ietekmi uz bipolārā tranzistora darbību nosaka trīs fizikāli faktori: potenciālo barjeru samazināšanās krustojumos, savienojumu termisko strāvu palielināšanās un koeficienta palielināšanās.

Tuneļdiode, ko izgudroja L. Esaki (Nobela prēmija 1973. gadā), ir pusvadītāju diode, kuras pamatā ir r-p pāreja, kurai ir R- reģions (anods A) un P- apgabals (katods C) ir izgatavots no deģenerēta (stipri leģēta) pusvadītāja (2.1.a att.), tāpēc SCR r-p pārejai ir ļoti mazs platums ().

Tā rezultātā potenciāls šķērslis, lai r-p pāreja izrādās tunelim caurspīdīga tāpat kā vadīšanas joslas elektroniem P- reģionā un valences joslas elektroniem R- teritorijas.

Lielākā daļa pārvadātāju spēlē galveno lomu tunelēšanas fenomenā. Nesēja tunelēšanas laiks caur potenciālo barjeru nav aprakstīts parastajā lidojuma laika valodā (

, kur

- barjeras platums, − pārvadātāju ātrums); tas ir aprakstīts, izmantojot kvantu mehāniskās pārejas varbūtību laika vienībā, un ir ļoti mazs. Tāpēc tuneļdiodes var izmantot milimetru viļņu diapazonā (> 30 - 300 GHz).

Kad krustojumam tiek pielikts spriegums, elektroni var pāriet no valences joslas uz vadīšanas joslu un otrādi. Lai tunelēšanas strāva plūstu, ir jāievēro šādi nosacījumi: 1) enerģijas stāvokļi krustojuma pusē, no kuras jāaizpilda elektronu tunelis; 2) pārejas otrā pusē enerģijas stāvokļiem ar vienādu enerģiju jābūt brīviem; 3) potenciālās barjeras augstumam un platumam jābūt pietiekami mazam, lai būtu ievērojama tuneļa izveidošanās iespēja; 4) jāizpilda kvaziimpulsa saglabāšanas likums.

Tuneļa diode ir negatīvrons N-tips; tā CVC ir parādīts attēlā. 2.1b.

Tuneļa diodes darbību ilustrē enerģijas diagrammas attēlā. 2.2. Atšķirībā no metodoloģijas, kas pieņemta tradicionālo pusvadītāju ierīču analīzē, šeit mēs neizmantosim kvazidaļiņu jēdzienus - vadītspējas elektroni un caurumi valences joslā, aprobežojoties ar reālu elektronu uzvedības apsvēršanu gan vadītspējas joslā, gan valences josla.

Saskaņā ar 1) un 2) prasībām cauri barjerai var iziet tikai tie elektroni, kuru enerģijas atbilst atļautajām enerģijas joslām barjeras pretējā pusē. Šie elektroni ir atzīmēti ar bultiņām 2.2. attēlā.

1. diagramma atbilst līdzsvara stāvoklim V = V 1 = 0. Elektronu plūsmas kreisajā un labajā pusē ir vienādas, un strāva caur diodi ir nulle: es 1 = 0 (1. punkts 2.1.b attēlā).

2. diagramma atbilst nelielam pozitīvam spriegumam V = V 2, nepārsniedzot maksimālo spriegumu V R att. 2.1b. Kā redzams no diagrammas, elektronu tunelēšanas plūsma no kreisās puses uz labo ir ievērojami samazinājusies. Elektronu tunelēšanas plūsma no labās puses uz kreiso nedaudz samazinājās, jo lielākā daļa elektronu vadīšanas joslā P- reģionos enerģijas ir mazākas

. Rezultātā kopējā tuneļa strāva palielinās, pieaugot spriegumam (2.1b. att. 2. punkts).

Pie sprieguma V = V 3 > V lpp(3. diagramma) elektronu tunelēšanas plūsma no kreisās puses uz labo ir praktiski bloķēta. No labās puses uz kreiso elektroni tunelē, kura enerģija atrodas diapazonā

. Šo elektronu skaits samazinās, palielinoties spriegumam, tāpēc, palielinoties spriegumam, samazinās arī kopējā tuneļa strāva, kas atbilst negatīvai diferenciālajai pretestībai (3. punkts 2.1.b attēlā).

4. diagramma atbilst pietiekami lielam tiešajam spriegumam V = V 4 > V lpp, kad tuneļa elektronu plūsmas ir bloķētas (4. punkts 2.1.b attēlā). Elektronu plūsma no labās puses uz kreiso tagad notiek tikai enerģētisko elektronu dēļ P- jomas ar enerģijām

. Šīs strāvas mehānisms atbilst enerģētisko elektronu ievadīšanas mehānismam caur barjeru parastajā pusvadītāju diodē. Šai plūsmai tiek pievienota elektronu plūsma no valences joslas no labās uz kreiso pusi P- neaizpildītos atļautajos valences joslas stāvokļos R- laukums (nav parādīts 4. diagrammā). Šīs strāvas mehānisms atbilst enerģētisko caurumu ievadīšanas mehānismam caur barjeru no R- jomās P- reģions parastajā pusvadītāju diodē. Šīs strāvas veido strāvas-sprieguma raksturlīknes difūzijas atzaru. Difūzijas strāva palielinās eksponenciāli līdz ar tiešo spriegumu.

Tādējādi tuneļa diodes CVC tiešais atzars veidojas no tuneļa un difūzijas zariem, kas parādīti attēlā. 2.1b ar pārtrauktām līnijām. Tuneļa atzars veido NDR sekciju, CVC difūzijas atzars ir monotons.

5. diagramma atbilst reversajam spriegumam V < 0. Kā redzams no diagrammas, tuneļa elektronu plūsma no labās puses uz kreiso praktiski nav atkarīga no sprieguma, un elektronu plūsma no kreisās puses uz labo strauji palielinās, palielinoties. apgrieztais spriegums(5. punkts 2.1.b attēlā). CVC reversais atzars atbilst tuneļa pārrāvumam ar nulles pārrāvuma spriegumu.

Tunelēšanas process var būt tiešs vai netiešs. Tiešā tunelēšanā (2.3.a att.) elektroni var tunelēt no vadītspējas joslas minimuma apkaimes līdz valences joslas maksimuma apkaimē, nemainot kvaziimpulsu. Tas attiecas uz tiešās spraugas pusvadītājiem (piemēram, GaAs, GaSb), kuros vadīšanas joslas apakšdaļas un valences joslas augšdaļas pozīcijas kvazi-impulsa telpā sakrīt.

Netiešā tunelēšana (2.3.c att.) notiek, ja vadīšanas joslas apakšas un valences joslas augšdaļas pozīcijas kvazimomenta telpā nesakrīt. Lai kvazi-impulsa saglabāšanas likums būtu izpildīts, šajā gadījumā tunelēšanas procesā ir jāpiedalās vēl vienai daļiņai (fononam vai piemaisījumu centram). Enerģijas un kvazimomenta nezūdamības likumi tunelēšanas laikā ar fononu piedalīšanos ir formulēti šādi: fonona enerģijas un elektronu tunelēšanas sākuma enerģijas summa no plkst. P- iekšā R-reģions ir vienāds ar elektrona, kas ir iekļuvis tuneli, galīgo enerģiju R-novads; elektrona sākotnējā kvaziimpulsa un fonona kvaziimpulsa summa ir vienāda ar tunelētā elektrona galīgo kvaziimpulsu. Kopumā netiešās tunelēšanas iespējamība ir daudz mazāka nekā tiešās tunelēšanas iespējamība.

TUNEĻA DIODE(Esaki diode) - pusvadītāju diode, kas satur pn- pāreja ar ļoti mazu barjeras slāņa biezumu. T. d. darbība balstās uz brīvo nesēju (elektronu) pāreju caur šauru potenciālu. barjera kvantu mehānikas dēļ. tunelēšanas process (sk tuneļa efekts) Tā kā elektronu tuneļa noplūdes caur barjeru iespējamība līdzekļos. mēru nosaka atstarpju laukuma platums. uzlādēt pn-pārejas utt tiek veiktas, pamatojoties uz deģenerēti pusvadītāji(ar piemaisījumu koncentrāciju līdz 10 25 - 10 27 m -3). Tā rezultātā rodas asas pn-pāreja ar barjeras slāņa biezumu 5-15 nm. T. d. ražošanā parasti izmanto Ge un GaAs; retāk tiek izmantoti Si, InSb, In As, PbTe, GaSb, SiC u.c. pusvadītāju materiāli. Germānija diodēm parasti kā donoru piemaisījumus izmanto P vai As, bet kā akceptoru piemaisījumus izmanto Ga un Al; gallija arsenīdam - Sn, Pb, S, Se, Te (donori), Zn, Cd (akceptori). Šaurs p - n-pāreju visbiežāk iegūst sakausējot.

Pirmo T. d. uz Ge bāzes izveidoja L. Esaki (L. Ezaki) -1957. Izgudrojums utt. gadā eksperimentāli apstiprināja tuneļu procesu esamību cietvielas. Lādiņu pārneses tuneļa mehānisms nosaka N T. d. strāvas-sprieguma raksturlieluma formas skats (1. att.). Uz att. 2 parāda vienkāršotu enerģētisko. diagrammas pn-pāreja T. d. pie sadalīšanās. nobīdes spriegumi U. Ja nav ārēju pārvietojums (2. att., a) Fermi līmeņi deģenerātā (abās pārejas pusēs) atrodas vienā augstumā attiecīgi valences un vadīšanas joslās (t.i., Fermi līmenis ir nemainīgs visā pusvadītājā). Mēs pieņemam, ka viss atļautais enerģisks. līmeņi zem Fermi līmeņa ir aizņemti, savukārt tie, kas ir virs tā, ir brīvi. Tad plkst U= 0 tuneļa pāreja nav iespējama un strāva es ir nulle (punkts A 1. attēlā). Ja uz T. pieliek nelielu taisni, tad potenciāla augstums samazinās. barjeru vai enerģētiski pāriet. līmeņi lpp-reģions salīdzinoši enerģētiski. līmeņi n- zonas (2. att., b). Šajā gadījumā vadīšanas elektroni no n-zonas tunelis caur pot. barjera (nemainot savu enerģiju) uz atļauto brīvo enerģētisko. valences joslas līmeņi lpp- apgabali - tuneļa strāva parādās T. es m, kura virziens ir pretējs elektronu kustības virzienam (2. līknes punkts B, 1. att.). Ar pieaugumu U strāva es vispirms paceļas uz es max (punkts B uz līknes 2 , rīsi. 1), un pēc tam (samazinoties U-reģiona vadītspējas joslas un valences joslas pārklāšanās pakāpei lpp-reģions) samazinās. Sākot no kaut kādas vērtības U min, šīs zonas nepārklājas (2. att., iekšā) un tuneļa strāva apstājas (punkts D uz 2. līknes, 1. att.); cauri p - n-tikai pārejas plūsmas. strāva es e. Kad U>U min utt. ir līdzīgs parastai pusvadītāju diodei, kas savienota virzienā uz priekšu. Pieliekot spriegumu pretējā virzienā (2. att., d), T. D. pastāv strāva elektronu tunelēšanas dēļ no valences joslas. lpp-domains uz bezmaksas atļauts enerģisks. vadīšanas joslas un apgabala līmeņi; šī strāva strauji palielinās, palielinoties reversajam spriegumam.

Rīsi. 1. Tuneļa diožu VAX, pamatojoties uz Ge ( 1 )un GaAs ( 2): U- nobīdes spriegums tunelī diode; es/es max - strāvas caur diodi attiecība pret strāvu maksimālajā VAX; es minimālā strāva pie minimālā VAX (attiecas uz es Max); U max un U min - nobīdes spriegumi, kas atbilst strāvām es max un es min; es t - tuneļa strāva; es d - difūzijas (termiskā) strāva.

Rīsi. 2. Enerģijas diagrammas pn- pāreja tuneļa diode pie dažādiem spriegumiem( U 1 un U 2 - tiešie pārvietojumi, U 3 - reverss nobīde); - valences joslas augšējā robeža; -vadīšanas joslas apakšējā robeža; - caurumu un elektronu Fermi līmeņi; - aizliegtās zonas platums; W- platums p-n-pāreja; es, un es d - tuneļa un difūzijas strāvas; e- elektronu lādiņš.

Lielā pusvadītāju ierīču saimē ir ierīču grupa, kurā noteiktā strāvas-sprieguma raksturlīknes sadaļā sprieguma pieaugumu (ΔU > 0) pavada nevis strāvas palielināšanās, bet gan strāvas kritums. spēks (ΔI

Visizplatītākās un, iespējams, visinteresantākās no visām negatīvās pretestības ierīcēm ir tuneļdiodes. Ideja izmantot tuneļa efektu radīšanai pusvadītāju diode jau 1932. gadā izteica padomju zinātnieki Ya. I. Frenkel un A. F. Ioffe, bet tikai 1958. gadā tuneļdiodi radīja japāņu inženieris L. Esaki.

Tuneļdiožu ražošana. Tāpat kā parastās taisngriežu diodes, tuneļa diodes var izgatavot, sakausējot metāla gabalu pusvadītāju plāksnē, piemēram, indijā ar n-tipa germāniju. Citiem vārdiem sakot, lai izveidotu tuneļa diodi, ir nepieciešams iegūt p-n pāreju. Tomēr atšķirībā no parasto diožu ražošanas, lai iegūtu tuneļdiodes, kā substrāts ir jāizmanto pusvadītājs ar ļoti augstu dopinga pakāpi, tas ir, ar ļoti augstu piemaisījumu koncentrāciju. Ja parastajās diodēs piemaisījumu koncentrācija pusvadītājā, kā likums, nepārsniedz 10 17 cm -3, tad dopanta koncentrācija pusvadītājos, ko izmanto tuneļdiožu izveidošanai, ir pēc lieluma 10 19 -10 20 cm. -3.

P-n-pārejas pazīmes starp deģenerētiem pusvadītājiem. Pusvadītāji ar šādu piemaisījumu koncentrāciju, kā mēs redzējām iepriekš, ir deģenerēti: to Fermi līmeņi atrodas atļauto joslu zonā (deģenerētā n tipa pusvadītājā Fermi līmenis atrodas vadītspējas joslas apgabalā un deģenerēts p tipa pusvadītājs valences zonu reģionā). Šāds Fermi līmeņu izvietojums noved pie lielas kontakta potenciāla starpības parādīšanās kontaktā starp deģenerētiem pusvadītājiem, kas ir gandrīz divas reizes lielāka nekā parasto diožu kontakta potenciālu starpības vērtība. Tā kā Fermi līmeņi tuneļa diodēs atrodas ārpus joslas spraugas, to potenciālā barjera pie pārejas robežas vienmēr ir lielāka par joslas atstarpi. 77. attēlā a ir parādīta divu ļoti leģētu deģenerētu pusvadītāju (n-tipa un p-tipa) joslu diagramma pirms saskares, un 77.attēlā b - p-n savienojuma joslu diagramma, kas veidojas pēc pusvadītāju saskarsmes. 77.b attēlā parādīts, ka tad, kad tiek izveidots līdzsvars starp deģenerētajiem n- un p-reģioniem, joslas pārklājas ārējā enerģijas skalā: n-pusvadītāja vadītspējas joslas apakšdaļa atrodas zem n-pusvadītāja valences joslas augšdaļas. p-veida pusvadītājs. Tādējādi elektroniem, kas atrodas, piemēram, netālu no Fermi līmeņa n- un p-reģionos, ir vienāda enerģija un to pāreju no viena reģiona uz otru liedz tikai aizliegto enerģiju josla, kas tiem ir zināma potenciāla barjera. .

Atšķirīga p-n savienojuma iezīme starp deģenerētiem pusvadītājiem ir arī tā ārkārtīgi mazais biezums d - apmēram 10 -6 cm. Fakts ir tāds, ka brīvo nesēju lielā blīvuma dēļ to atkāpšanās no pat neliela robežslāņa ir saistīta ar veidošanos. no liela skaita nekompensētu lādētu donoru un akceptoru piemaisījumu centru, kas ir pietiekami līdzsvara potenciāla barjeras rašanās.

Elektronu tunelēšanas pārejas līdzsvarā. Īpaši mazais p-n savienojuma biezums apvienojumā ar joslu pārklāšanos, kā rezultātā abās krustojuma pusēs ir reģioni ar vienādām atļautajām enerģijām, rada labvēlīgus apstākļus tuneļu krustojumiem: elektroniem no n-apgabala vadītspējas joslas. pāriet uz p-apgabala valences joslu, un elektroni no p-apgabala valences joslas pāriet n-apgabala vadītspējas joslā (sk. 77. att., b). Protams, lai elektrons varētu pāriet caur barjeru no viena pusvadītāja apgabala uz otru, ir nepieciešams, lai barjeras otrā pusē, kur elektrons iet, būtu brīvi stāvokļi. Bet galu galā Fermi līmeni precīzi raksturo fakts, ka tā piepildīšanās varbūtība ir tikai 72. Tāpēc elektroniem, kuru enerģija nav pārāk atšķirīga no Fermi enerģijas, vienmēr atradīsies vieta aiz potenciālās barjeras. p-n krustojums.

Līdzsvara stāvoklī, ja nav nobīdes sprieguma, elektronu tuneļa pāreju skaits no kreisās puses uz labo ir vienāds ar skaitītāja pāreju skaitu no labās puses uz kreiso, un kopējā tuneļa strāva ir nulle. Papildus tuneļu savienojumiem aplūkojamajā diodē, protams, ir vairākuma un mazākuma nesēju pārejas pārejas, kas rada difūzijas strāvu un vadīšanas strāvu. Bet, pirmkārt, līdzsvara apstākļos arī šīs strāvas izrādās vienādas un vērstas viena pret otru, tā ka kopumā tās nedod strāvu. Un, otrkārt, salīdzinājumā ar tuneļu krustojumu skaitu virsbarjeras krustojumu skaits izrādās niecīgi mazs. Tātad, ja nav ārējas novirzes, strāva caur diodi ir nulle, kas atbilst ierīces strāvas-sprieguma raksturlīknes sākumam (78. attēla 1. punkts).

Tuneļa diodes darbība, kad tā ir novirzīta uz priekšu. Ja diodei tiek pielietots neliels pozitīvs nobīde, tad notiks zināma enerģijas joslu nobīde, kā rezultātā nedaudz samazināsies potenciālā barjera pie pārejas robežas un p-tipa pusvadītāja valences joslas neaizpildītā daļa. atradīsies pretī n-pusvadītāja vadītspējas joslas aizpildītajam apgabalam (79. att., a) . Šajā gadījumā tiks izjaukts līdzsvars starp elektronu tuneļa pārejām no kreisās puses uz labo un no labās uz kreiso. Patiešām, joslu aizpildīto daļu pārklāšanās reģionā šīs pārejas kompensē viena otru (attēlā punktētas bultiņas), bet pārejas no n-pusvadītāja vadītspējas joslas aizpildītās daļas augšējās daļas (treknrakstā). bultiņa) vairs nesaskaras ar pretkompensācijas plūsmu, jo valences joslas p-pusvadītāja pretējais apgabals ir praktiski tukšs. Rezultātā iegūtā nekompensētā elektronu plūsma no n-tipa pusvadītāja uz p-tipa pusvadītāju noved pie līdzstrāvas parādīšanās caur diodi (2. punkts līknē 78. attēlā).

Pozitīvās novirzes palielināšana noved pie tā, ka n-pusvadītāja vadītspējas joslas aizpildītais apgabals arvien vairāk pārklājas ar p-tipa pusvadītāja valences joslas tukšo apgabalu, kā rezultātā palielinās arī tuneļa strāva caur diodi. Tas sasniedz savu maksimālo vērtību (3. punkts 78. attēlā), kad n-pusvadītāja Fermi līmenis atrodas pretī p-reģiona valences joslas augšdaļai (79. attēls, b).

Tālāku tiešā sprieguma pieaugumu jau pavada n-tipa pusvadītāja vadītspējas joslas piepildītās daļas un p-pusvadītāja valences joslas tukšās daļas pārklāšanās samazināšanās, un līdz ar to arī pusvadītāja sprieguma pasliktināšanās. nosacījumi elektronu pārejām no n-apgabala uz p-apgabalu (79. att., c). Elektroniem, kas atrodas n-pusvadītāja vadītspējas joslas aizpildītā apgabala augšējā daļā, tagad pretojas p-pusvadītāja aizliegto enerģiju josla, kuras dēļ to pāreja uz p-apgabalu kļūst neiespējama. Tādējādi mēs nonākam pie paradoksālas, no pirmā acu uzmetiena, parādības: ierīcei piemērotās potenciālu starpības palielināšanos virzienā uz priekšu pavada nevis caur to plūstošās strāvas palielināšanās, bet gan samazināšanās (attēla 4. punkts). 78). Uz diodes strāvas-sprieguma raksturlīknes parādās krītoša sadaļa, kas atbilst negatīvai pretestībai.

Tuneļa strāvas samazināšanās, palielinoties pieliktajam tiešajam spriegumam, turpināsies līdz brīdim, kad n-veida pusvadītāja vadītspējas joslas apakšdaļa ir vienā līmenī ar p-pusvadītāja valences joslas augšdaļu (att. 79, d). Tuneļa pārejas šādā situācijā kļūst principiāli neiespējamas, un tuneļa strāva nokrītas līdz nullei (5. punkts 78. attēlā).

Taču, kā redzams no strāvas-sprieguma raksturlīknes gaitas (sk. 78. att.), strāva caur diodi ne tikai nepazūd, bet pat sāk augt, palielinoties tiešajam spriegumam. Tas ir izskaidrojams ar to, ka liels uz priekšu nobīdes spriegums izraisa ievērojamu potenciālās barjeras samazināšanos pie krustojuma robežas. Sakarā ar to palielinās iespējamība, ka nesēju pāreja pāri saskarnei notiks virs barjeras, tas ir, kļūst iespējama elektronu injekcija virs barjeras no n-pusvadītāja un caurumiem no p-apgabala (sk. 79. att.). , d). Iegūtā difūzijas strāva, tāpat kā ar parastajām diodēm, pieaug, palielinoties tiešajam spriegumam, kas vēl vairāk samazina potenciāla barjeru pie p-n savienojuma robežas (rakstzīmes augošā sadaļa ar 6. punktu).

Tuneļa diodes darbība, ja tiek izmantota apgrieztā nobīde. Kad ir ieslēgta reversā nobīde, dominējošās ir elektronu tuneļa pārejas no p-pusvadītāja valences apgabala uz n-veida pusvadītāja vadīšanas joslu (80. attēlā - no labās uz kreiso). Šīs pārejas izrādās neierobežotas, un to skaits pieaug, palielinoties reversajam spriegumam. Tas izskaidro straujo apgrieztās strāvas pieaugumu caur diodi (sk. 78. attēlu strāvas-sprieguma raksturlīknes sadaļu ar 7. punktu).

CW paaudze ar tuneļa diodi. Ilustrēsim tuneļa diožu pielietojumu ar neslāpētu svārstību ģenerēšanas piemēru. Izmantojot tuneļa diodes negatīvo pretestību, jūs varat kompensēt noteiktas zonas pozitīvo aktīvo pretestību. elektriskā ķēde un nodrošina signāla pastiprināšanu vai svārstību ģenerēšanu. Tātad, ja ķēdē iekļautās tuneļa diodes darbības punkts līdzstrāva virknē ar svārstību ķēdi (81. att.), atrodas strāvas-sprieguma raksturlīknes krītošajā posmā, tad enerģijas zudumi svārstību ķēdē tiek papildināti un tajā rodas neslāpētas svārstības.

Kad atslēga K ir aizvērta, svārstību ķēdē rodas brīvas svārstības ar nelielu amplitūdu, kuras, ja nebūtu tuneļa diodes, drīz vien izmirtu. Iestatiet ķēdes barošanas spriegumu U tā, lai diodes darbības punkts būtu strāvas-sprieguma raksturlīknes negatīvās pretestības sekcijas vidū. Elektrisko svārstību procesā ķēdē, kas rodas pēc ķēdes aizvēršanas, punktu A un B polaritāte mainīsies ik pēc pusperioda. Vienā no puscikliem šo punktu polaritāte būs tāda, kā norādīts attēlā. Šajā gadījumā cilpā esošais spriegums tiek atņemts no barošanas sprieguma, un kopējais tiešās novirzes spriegums pāri diodei tiek samazināts. Tā kā diode mūsu izvēlētajā režīmā darbojas negatīvas pretestības sadaļā, tiešā nobīdes sprieguma samazināšanās izraisīs strāvas palielināšanos caur diodi un līdz ar to arī visā ķēdē. Kad cilpas spaiļu polaritāte (otrajā puscikla laikā) tiek mainīta, tiešā nobīdes spriegums palielināsies un ķēdē samazināsies strāva. Tādējādi strāva ķēdē būs pulsējoša. Ir viegli redzēt, ka šīs strāvas mainīgā sastāvdaļa ir fāzē ar sprieguma svārstībām ķēdē. Tas nozīmē, ka jauda elektriskā strāvaķēdes posmā, ko veido svārstību ķēde, ir pozitīvs (cos φ = 1) un notiek nepārtraukta enerģijas papildināšana ķēdē. Sakarā ar to palielinās svārstību amplitūda ķēdē. Tajā pašā laikā palielinās arī enerģijas zudumi. Kad tiek sasniegts līdzsvars starp enerģijas zudumiem un tās papildināšanu, ķēdē tiek izveidotas neslāpētas svārstības.

Kā redzams no diagrammas, neslāpētu elektrisko svārstību ģenerators uz tuneļa diodes ir daudz vienkāršāks nekā cauruļu ģenerators.

AT pēdējie laiki tuneļdiodes plaši izmanto elektroniskās skaitļošanas ierīcēs un citās elektroniskās sistēmās, kurām nepieciešams liels ātrums. Šāda tuneļdiožu izmantošana ir izskaidrojama ar to ārkārtīgi zemo inerci (elektronu pāreja tunelī caur potenciāla barjeru notiek tikai 10 -12 -10 -14 s). Tuneļdiožu zemā inerce ļauj tās izmantot, lai radītu un pastiprinātu īpaši augstas frekvences svārstības (līdz simtiem gigahercu).

Tuneļdiodes tiek izmantotas arī kā ātri slēdži (pārslēgšanas laiku var palielināt līdz 10 -9 s). Elektriskajā ķēdē tuneļa diode darbojas kā vārsts, kas atveras, kad tiešā nobīdes spriegums samazinās, un aizveras, kad tiešā nospriegojuma spriegums palielinās.

apgrieztās diodes. Interesanta tuneļdiožu dažādība ir tā sauktās apgrieztās diodes. To izveidošanai tiek izmantoti pusvadītāji ar nedaudz zemāku dopinga pakāpi nekā parasto tuneļdiožu gadījumā (pusvadītājā ievadītā piemaisījumu koncentrācija šajā gadījumā ir aptuveni 10 18 cm -3). Šādos pusvadītājos Fermi līmeņi sakrīt ar atļauto joslu robežām: n-pusvadītājā Fermi līmenis sakrīt ar vadītspējas joslas apakšējo daļu, bet p-pusvadītājā ar valences joslas augšdaļu. Ja ņem vērā šādu pusvadītāju kontaktu, kas atrodas līdzsvara stāvoklī, izrādās, ka enerģijas joslu pārklāšanās nenotiek (82. att.). Tāpēc, ja nav ārēja nobīdes sprieguma, saskarnē starp reģioniem nav tuneļu savienojumu. Tie neparādās pat tiešā nobīdes sprieguma klātbūtnē, jo šajā gadījumā atļautajām elektronu enerģijām vienā reģionā pretojas aizliegto enerģiju josla citā reģionā. Šī iemesla dēļ tiešā strāva diodē var būt saistīta tikai ar nesēju pāreju pāri barjerai. Un tā kā potenciālā barjera pie šādu ļoti leģētu pusvadītāju robežas ir diezgan liela (kā redzams no attēla, tas ir vienāds ar pusvadītāja joslas spraugu), tad tiešās strāvas stiprums līdz ļoti lielām vērtībām. no tiešā nobīdes sprieguma, izrādās niecīgs (83. att.). Praksē tas ir vienāds ar tuneļdiodēm kopumā raksturīgās difūzijas strāvas vērtību (78. attēlā punktēta līnija).

Ārējā sprieguma padeve diodei pretējā virzienā izraisa atļauto zonu pārklāšanos, kas pieaug, palielinoties šim spriegumam. Šajā gadījumā ir iespēja izveidot tuneļu savienojumus, kuru skaits, palielinoties U arr, palielinās bezgalīgi, tāpat kā parastajās tuneļa diodēs, kuru dēļ strāva arī izslēgšanas virzienā strauji pieaug un kļūst par nesalīdzināmi lielāku strāvu priekšpusē. virziens. Tāpēc attiecībā uz vadītspējas atkarību no nobīdes sprieguma šādu diožu īpašības ir pretējas tradicionālo diožu īpašībām. taisngriežu diodes, tāpēc šīs diodes sauc par apgrieztām. Tiem nav negatīvas pretestības sadaļas, un tāpēc tos nevar izmantot, lai radītu un pastiprinātu svārstības, bet tiek izmantoti kā detektori ļoti augstu frekvenču apgabalā.

Palielinoties tiešajam spriegumam, pārvadītā strāva monotoni palielinās. Tuneļdiodē elektronu kvantu mehāniskā tunelēšana papildina I–V raksturlīknes novirzi, savukārt p- un n-reģionu lielās dopinga pakāpes dēļ pārrāvuma spriegums samazinās gandrīz līdz nullei. Tuneļa efekts ļauj elektroniem pārvarēt enerģijas barjeru pārejas zonā ar platumu 50–150 Å pie tāda sprieguma, ka vadīšanas joslai n-apgabalā ir vienādi enerģijas līmeņi ar p-reģiona valences joslu. Tālāk palielinoties tiešajam spriegumam, n-apgabala Fermi līmenis paaugstinās attiecībā pret p-apgabalu, nonākot p-reģiona joslas spraugā, un, tā kā tunelēšana nevar mainīt elektrona kopējo enerģiju, varbūtība elektronu pāreja no n-apgabala uz p-apgabalu strauji samazinās. Tādējādi tiek izveidota sadaļa I–V raksturlīknes tiešajā sadaļā, kur tiešā sprieguma pieaugumu pavada strāvas stipruma samazināšanās. Šī negatīvā zona diferenciālis pretestība un tiek izmantota vāju mikroviļņu signālu pastiprināšanai.

Izgudrojumu vēsture

20. gadu sākumā Krievijā Oļegs Losevs atklāja kristadīna efektu diodēs, kas izgatavotas no kristāliskā ZnO, kas hidrotermiski audzēts no ūdens šķīdums cinka hidroksīds un kālija cinkāts - negatīvs diferenciālās pretestības efekts. Negatīvās diferenciālās pretestības parādīšanās mehānisms Loseva eksperimentos nav skaidrs. Lielākā daļa ekspertu norāda, ka to izraisa tuneļa efekts pusvadītājā, taču tiešs eksperimentāls apstiprinājums šim skaidrojumam vēl nav saņemts. Tajā pašā laikā iespējamais efekta mehānisms var būt lavīnas sabrukums vai citi fiziski efekti, kas izraisa negatīvas diferenciālās pretestības parādīšanos. Tajā pašā laikā kristadīns un tuneļa diode ir dažādas ierīces, un to negatīvā diferenciālā pretestība izpaužas dažādās I–V raksturlielumu daļās.

Tuneļdiodi pirmo reizi 1957. gadā izgatavoja Leo Esaki, kurš 1973. gadā saņēma Nobela prēmiju fizikā par eksperimentālu atklājumu par elektronu tunelēšanas efektu šajās diodēs.

Pieteikums

Praksē visplašāk izmantotās ir tuneļdiodes no, GaAs un arī no