基本介紹
- 中文名：隧道二極體
- 外文名：Tunnel diode
- 相關術語：隧道效應
- 套用：開關電路或高頻震盪電路中
定義,隧道過程的定性分析,隧道二極體的符號,隧道二極體特點及套用,
定義
隧道二極體的工作符合發生隧道效應具備的三個條件：
（2）空間電荷層寬度必須很窄（0.01微米以下）；
隧道二極體為雙端子有源器件。其主要參數有峰谷電流比（IP/PV），其中，下標"P"代表"峰"；而下標"V"代表"谷"。簡單地說,所謂"隧道效應"就是指粒子通過一個勢能大於總能量的有限區域。這是一種量子力學現象， 按照經典力學是不可能出現的。隧道二極體可以被套用於低噪聲高頻放大器及高頻振盪器中（其工作頻率可達毫米波段），也可以被套用於高速開關電路中。
基於重摻雜PN結隧道效應而製成的半導體兩端器件。隧道效應是1958年日本江崎玲於奈在研究重摻雜鍺PN結時發現的，故隧道二極體又稱江崎二極體。這一發現揭示了固體中電子隧道效應的物理原理，江崎為此而獲得諾貝爾獎金物理學獎。隧道二極體通常是在重摻雜 N型（或 P型）的半導體片上用快速合金工藝形成高摻雜的PN結而製成的；其摻雜濃度必須使PN結能帶圖中費米能級進入N型區的導帶和P型區的價帶；PN結的厚度還必須足夠薄（150埃左右），使電子能夠直接從N型層穿透PN結勢壘進入P型層。這樣的結又稱隧道結。
隧道過程的定性分析
隧道二極體PN結兩側均為摻雜濃度高達
的簡併半導體。二極體的伏安特性曲線如下圖1所示，利用簡併半導體PN結的能帶圖可定性說明隧道二極體的特性。
隧道二極體伏安特性由於PN結兩側高摻雜，費米能級都進入各自能帶中，平衡時具有統一費米能級，則隧道二極體PN結的勢壘區能帶傾斜比普通PN結更為嚴重，勢壘區厚度較薄，平衡時能帶如下圖2（a）所示，由於費米能級以上為空態，費米能級以下狀態都被電子填滿，則此時沒有隧道電流。只有在外加電壓作用下，P區和N區的費米能級發生移動，載流子發生運動才有可能形成電流。
下圖2（b）為PN結反偏時能帶圖。反偏使P區費米能級相對N區費米能級向上移動，使P區
以下一部分電子態與N區
以上部分空態處於相同能量水平，則有P區的電子通過勢壘“隧道”穿越到N區，形成反向隧道電流。對應於圖1中1點。
隧道二極體能帶圖圖2（c）~（g）為PN結正向偏置時的能帶圖。隨著正向偏壓增加，相對於向上移動，對應於圖2（c），以下部分電子與以上部分空態處於相同能量，則有N區電子穿過隧道到達P區形成正向隧道電流，對應於圖1中2點。正向偏壓增加，相對於向上移動，N區導帶電子態與P區價帶空態重疊更多，正向隧道電流增大，當能帶重疊最多時，穿過隧道的載流子數達到攝大，正向隧道電流達到極大值，對應於圖2（d）和圖1中3點。正向電壓進一步增加，相對，更往上移，但N區電子態與P區空態重疊部分逐漸減小，穿過隧道的N區電子數減小，正向隧道電流減小，對應圖2（e）和圖1中4點。當正向偏壓增加使向上移到N區的電子態與P區空態不發生重疊時，正向隧道電流降到最小值，對應圖2（f）和圖1中5點。當正向電壓進一步增大時，則出現正常的PN結注入電流，其隨外加電壓指數增加，對應於圖2（g）和圖1中6點。
可見隧道二極體伏安特性曲線有兩個正斜率區和一個負斜率區。從3點到5點範圍，隨正向電壓增加，電流減小，出現負阻特性。在一定的電流範圍內，電壓是電流的多值函式。
隧道二極體的符號
隧道二極體的電氣符號如下圖所示：
隧道二極體電氣符號隧道二極體特點及套用
隧道二極體的主要特點是它的正向電流—電壓特性具有負阻（見圖）。這種負阻是基於電子的量子力學隧道效應，所以隧道二極體開關速度達皮秒量級,工作頻率高達100吉赫。隧道二極體還具有小功耗和低噪聲等特點。隧道二極體可用於微波混頻、檢波（這時應適當減輕摻雜，製成反向二極體），低噪聲放大、振盪等。由於功耗小，所以適用於衛星微波設備。還可用於超高速開關邏輯電路、觸發器和存儲電路等。
研究不同半導體材料製成的隧道二極體的基本特性，還能深入了解半導體中的能帶結構和一些與量子力學有關的物理問題。
