隧道二极管工作原理_工作现象​_伏安特性曲线

隧道二极管（Tunnel Diode）也称为Eskari二极管，它是一种高掺杂半导体，能够非常快速地运行。Leo Esaki于1957年8月发明了隧道二极管。制造隧道二极管基本上采用锗材料。它们也可以由砷化镓和硅材料制成。

实际上，隧道二极管用于频率检测器和转换器。由于隧道二极管在其工作范围内表现出负电阻，所以它可以用作放大器、振荡器和任何开关电路。

基本概念

隧道二极管是具有负电阻的PN结器件，当电压增加时，流过电压的电流会减少，它的工作原理是隧道效应。金属-绝缘体-金属（MIM）二极管是另一种类型的隧道二极管，但由于继承的敏感性，其目前的应用似乎仅限于研究环境，其应用被认为非常限于研究环境。此外，还有一种二极管称为金属-绝缘体-绝缘体-金属 (MIIM) 二极管，其中包括一个附加绝缘体层。

隧道二极管是一种以N型半导体为阴极、P型半导体为阳极的两端器件。隧道二极管电路符号如下所示：

构造方法

隧道二极管具有陶瓷体和顶部的密封盖，将一个小锡点合金化或焊接到重掺杂的N型Ge颗粒上。该颗粒被焊接到用于散热的阳极触点，锡点通过网筛连接到阴极触点，用于降低电感。

耗尽区宽度

当移动载流子自由电子和空穴都缺失时，PN结中的区域就会出现一个称为耗尽区的区域。为了阻止来自N型半导体的电子流动和来自P型半导体的空穴流动，耗尽区充当势垒。

根据添加的杂质数量，耗尽区的宽度会变化。为了增加P型和N型半导体的电导率，添加了杂质。当PN结二极管中添加较少数量的杂质时，会形成宽而大的耗尽区。同时，当添加更多杂质时，会出现狭窄的耗尽区。

由于杂质数量较多，P型和N型半导体在隧道二极管中被重掺杂。重掺杂会导致耗尽区变窄。与普通PN结二极管相比，隧道二极管具有较窄的耗尽宽度。因此，当施加少量电压时，就会在隧道二极管中产生足够的电流。

隧道效应

在电子学中，隧道效应被称为电子直接穿过小耗尽区从N侧导带进入P侧价带。在PN结二极管中，正离子和负离子均形成耗尽区。由于这些离子，耗尽区中存在内置电势或电场。该电场产生与外部施加电压相反方向的电力。

随着耗尽层宽度的减小，电荷载流子可以轻松穿过结。电荷载流子不需要任何形式的动能来穿过结。相反，载流子穿过连接点。这种效应称为隧道效应，因此二极管称为隧道二极管。

由于隧道效应，当正向电压值较低时，产生的正向电流值将较高。它可以在正向偏置和反向偏置下工作。由于高掺杂，它可以在反向偏置下工作。由于势垒电位降低，反向击穿电压值也降低。它达到零值。由于这个小的反向电压导致二极管击穿。因此，这会产生负电阻区域。

工作现象

无偏隧道二极管

在无偏置隧道二极管中，不会向隧道二极管施加电压。这里，由于重掺杂，N型半导体的导带与P型材料的价带重叠。N侧的电子和p侧的空穴相互重叠，并且它们处于相同的能级。当温度升高时，一些电子从N区的导带隧道到P区的价带。类似地，空穴将从P区的价带移动到N区的导带。最后，净电流将为零，因为相同数量的电子和空穴沿相反方向流动。

量子力学的行为表明了隧道效应，高杂质PN结器件称为隧道二极管。隧道现象提供了多数载流子效应，其公式为：

P α e (-A *E *b *W)

其中：“E”是势垒的能量，“P”是粒子穿过势垒的概率，“W”是势垒的宽度。

施加到隧道二极管的小电压

当向隧道二极管施加比耗尽层的内建电压更小的电压时，没有正向电流流过结。然而，来自N区导带的最小数量的电子将开始隧道到P区的价带。因此，这种运动会产生小的正向偏置隧道电流。当施加小电压时，隧道电流开始流动。

增加施加到隧道二极管的电压

当施加的电压量增加时，N侧产生的自由电子和p侧产生的空穴的数量也增加。由于电压增加，能带之间的重叠也增加。当N侧导带的能级和p侧价带的能级变得相等时，最大隧道电流流动。

进一步增加施加到隧道二极管的电压

施加电压的进一步增加将导致导带和价带的轻微错位。导带和价带之间仍然存在重叠。电子从P区的导带移动到价带。因此，这导致小电流流动。因此，隧道电流开始减小。

大幅增加施加到隧道二极管的电压

当施加的电压增加到最大值时，隧道电流将为零。在此电压水平下，价带和导带不重叠。这使得隧道二极管的工作方式与PN结二极管相同。

当施加的电压大于耗尽层的内置电势时，正向电流开始流过隧道二极管。在这种情况下，曲线中的电流部分随着电压的增加而减少，这就是隧道二极管的负阻。这种工作在负阻区的二极管用作放大器或振荡器。

VI特性

由于正向偏置，隧道二极管中会发生重掺杂传导。二极管达到的最大电流为Ip，施加的电压为Vp。当施加更多电压时，电流值减小。电流不断减小，直至达到最小值。

电流的最小值为Iv。从上图可以看出，从A点到B点，随着电压的增加，电流减小。即二极管的负阻区。在此区域中，隧道二极管产生功率而不是吸收功率。

电流分量

隧道二极管的总电流公式表示：I_t = I_tun + I_diode+ I_excess

隧道二极管中流动的电流与普通PN结二极管中流动的电流相同，如下所示：

Idiode= I_do * ( exp ( η * V_t ) ) -1

其中，I_do – 反向饱和电流，V_t – 温度电压当量，V – 二极管两端电压，η – Ge的修正系数1，Si的修正系数2。

由于杂质的寄生隧道效应，会产生过量电流，这是可以确定谷点的附加电流。隧道电流如下所示：

I_tun = (V/R₀ ) * exp (- ( V/V₀ )^m)

其中，V₀=0.1至0.5伏，m=1至3，R₀=隧道二极管电阻。

峰值电流、峰值电压

隧道二极管的峰值电压和峰值电流最大。通常情况下，对于隧道二极管，切入电压大于峰值电压。并且过量电流和二极管电流可以认为可以忽略不计。对于最小或最大二极管电流：

VIN = Vpeak_，dI_tun /dV=0

(1/R₀ ) * (exp (- (V/V₀ )^m ) – (m* (V/V₀ )^m *exp (- (V/V₀ )^m)=0

那么，1 – m* (V/V₀ ) ^m=0，则有：Vpeak = ((1/m) ^(1/m) ) * V₀*exp (-1/m)

最大负阻

下面给出小信号的负电阻的计算公式：

R_n=1/ (dI/dV) = R₀ / (1 – (m * (V/V₀ ) ^m ) * exp (-(V/V₀ ) ^m ) / R₀=0

如果dI/dV= 0，R_n最大，则有：(m* (V/V₀ )^m ) * exp (-(V/V₀ )^m )/R₀=0

如果V=V₀ * (1+1/m) ^(1/m)  则为最大值，因此方程为为：(R_n ) _max= – (R₀ * ( (exp(1+m)) / m )) /m

主要应用

• 由于隧道机制，它被用作超高速交换机。
• 切换时间为纳秒甚至皮秒量级。
• 由于其电流曲线的三值特性，它被用作逻辑存储器存储器件。
• 由于电容、电感和负阻极小，用作频率约10GHz的微波振荡器。
• 由于其负阻，它被用作张弛振荡器电路。

主要优点

• 低成本
• 低噪声
• 操作方便
• 高速度
• 低电量
• 对核辐射不敏感

主要缺点

• 作为两端器件，它在输出和输入电路之间不提供隔离。
• 电压范围，在1伏或以下均可正常工作。

总结

隧道二极管是一种重掺杂PN结二极管，其中电流随着电压增加而减少。在隧道二极管中，电流是由“隧道”引起的。隧道二极管在计算机中用作非常快速的开关器件，它还用于高频振荡器和放大器。

锗材料通常用于制造隧道二极管，它们也由其他类型的材料制成，例如砷化镓、锑化镓和硅。隧道二极管是过去十年中出现的最重要的固态电子器件之一。