[科普中國(guó)]-江崎二極管

江崎二極管，又稱(chēng)隧道二極管、穿隧效應(yīng)二極管、穿隧二極管、透納二極管，是一種可以高速切換的半導(dǎo)體，其切換速度可到達(dá)微波頻率的范圍，其原理是利用量子穿隧效應(yīng)。它是以隧道效應(yīng)電流為主要電流分量的晶體二極管。江崎二極管是采用砷化鎵（GaAs）和銻化鎵（GaSb）等材料混合制成的半導(dǎo)體二極管，其優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)特性好，速度快、工作頻率高；缺點(diǎn)是熱穩(wěn)定性較差。一般應(yīng)用于某些開(kāi)關(guān)電路或高頻振蕩等電路中。

簡(jiǎn)介隧道二極管是江崎玲于奈1958年8月時(shí)發(fā)明的，當(dāng)時(shí)他在東京通訊工業(yè)株式會(huì)社（索尼）。1973年時(shí)江崎玲于奈和布賴(lài)恩·約瑟夫森因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)上述半導(dǎo)體中的量子穿隧效應(yīng)而獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。羅伯特·諾伊斯在為威廉·肖克利工作時(shí)也有有關(guān)隧道二極管的想法，但沒(méi)有繼續(xù)進(jìn)行研究。

此種二極管是由高摻雜的PN接面所形成(空乏區(qū)通常只有10奈米寬)，常用的材料包括鍺、砷化鎵等窄能隙的材料，由于高摻雜會(huì)產(chǎn)生晶格的破壞，使得能隙間的缺陷變多，加上窄能隙材料縮小量子穿隧的障礙，所以能夠增加量子穿隧的電流。隧道二極管常用于頻率轉(zhuǎn)換器和偵測(cè)器上，由于隧道二極管的負(fù)微分電阻的特性，其也可應(yīng)用于振蕩器、放大器以及開(kāi)關(guān)電路的遲滯1。

江崎二極管的工作符合發(fā)生隧道效應(yīng)具備的三個(gè)條件：

（1）費(fèi)米能級(jí)位于導(dǎo)帶和滿(mǎn)帶內(nèi)；

（2）空間電荷層寬度必須很窄（0.01微米以下）；

（3）簡(jiǎn)并半導(dǎo)體P型區(qū)和N型區(qū)中的空穴和電子在同一能級(jí)上有交疊的可能性。

江崎二極管為雙端子有源器件。其主要參數(shù)有峰谷電流比（IP/PV），其中，下標(biāo)"P"代表"峰"；而下標(biāo)"V"代表"谷"。簡(jiǎn)單地說(shuō),所謂"隧道效應(yīng)"就是指粒子通過(guò)一個(gè)勢(shì)能大于總能量的有限區(qū)域。這是一種量子力學(xué)現(xiàn)象， 按照經(jīng)典力學(xué)是不可能出現(xiàn)的。江崎二極管可以被應(yīng)用于低噪聲高頻放大器及高頻振蕩器中（其工作頻率可達(dá)毫米波段），也可以被應(yīng)用于高速開(kāi)關(guān)電路中。

隧道過(guò)程的定性分析江崎二極管PN結(jié)兩側(cè)均為摻雜濃度高達(dá)的簡(jiǎn)并半導(dǎo)體。二極管的伏安特性曲線如下圖1所示，利用簡(jiǎn)并半導(dǎo)體PN結(jié)的能帶圖可定性說(shuō)明江崎二極管的特性。

由于PN結(jié)兩側(cè)高摻雜，費(fèi)米能級(jí)都進(jìn)入各自能帶中，平衡時(shí)具有統(tǒng)一費(fèi)米能級(jí)，則江崎二極管PN結(jié)的勢(shì)壘區(qū)能帶傾斜比普通PN結(jié)更為嚴(yán)重，勢(shì)壘區(qū)厚度較薄，平衡時(shí)能帶如下圖2（a）所示，由于費(fèi)米能級(jí)以上為空態(tài)，費(fèi)米能級(jí)以下?tīng)顟B(tài)都被電子填滿(mǎn)，則此時(shí)沒(méi)有隧道電流。只有在外加電壓作用下，P區(qū)和N區(qū)的費(fèi)米能級(jí)發(fā)生移動(dòng)，載流子發(fā)生運(yùn)動(dòng)才有可能形成電流。圖2（b）為PN結(jié)反偏時(shí)能帶圖。反偏使P區(qū)費(fèi)米能級(jí)相對(duì)N區(qū)費(fèi)米能級(jí)向上移動(dòng)，使P區(qū)EFP以下一部分電子態(tài)與N區(qū)EFN以上部分空態(tài)處于相同能量水平，則有P區(qū)的電子通過(guò)勢(shì)壘“隧道”穿越到N區(qū)，形成反向隧道電流。對(duì)應(yīng)于圖1中1點(diǎn)。

圖2（c）~（g）為PN結(jié)正向偏置時(shí)的能帶圖。隨著正向偏壓增加，EFN相對(duì)于EFP向上移動(dòng)，對(duì)應(yīng)于圖2（c），EFN以下部分電子與EFP以上部分空態(tài)處于相同能量，則有N區(qū)電子穿過(guò)隧道到達(dá)P區(qū)形成正向隧道電流，對(duì)應(yīng)于圖1中2點(diǎn)。正向偏壓增加，EFN相對(duì)于EFP向上移動(dòng)，N區(qū)導(dǎo)帶電子態(tài)與P區(qū)價(jià)帶空態(tài)重疊更多，正向隧道電流增大，當(dāng)能帶重疊最多時(shí)，穿過(guò)隧道的載流子數(shù)達(dá)到攝大，正向隧道電流達(dá)到極大值，對(duì)應(yīng)于圖2（d）和圖1中3點(diǎn)。正向電壓進(jìn)一步增加，相對(duì)EFP，EFN更往上移，但N區(qū)電子態(tài)與P區(qū)空態(tài)重疊部分逐漸減小，穿過(guò)隧道的N區(qū)電子數(shù)減小，正向隧道電流減小，對(duì)應(yīng)圖2（e）和圖1中4點(diǎn)。當(dāng)正向偏壓增加使EFN向上移到N區(qū)的電子態(tài)與P區(qū)空態(tài)不發(fā)生重疊時(shí)，正向隧道電流降到最小值，對(duì)應(yīng)圖2（f）和圖1中5點(diǎn)。當(dāng)正向電壓進(jìn)一步增大時(shí)，則出現(xiàn)正常的PN結(jié)注入電流，其隨外加電壓指數(shù)增加，對(duì)應(yīng)于圖2（g）和圖1中6點(diǎn)。

可見(jiàn)江崎二極管伏安特性曲線有兩個(gè)正斜率區(qū)和一個(gè)負(fù)斜率區(qū)。從3點(diǎn)到5點(diǎn)范圍，隨正向電壓增加，電流減小，出現(xiàn)負(fù)阻特性。在一定的電流范圍內(nèi)，電壓是電流的多值函數(shù)2。

符號(hào)江崎二極管的電氣符號(hào)如圖3所示：

特點(diǎn)及應(yīng)用江崎二極管的主要特點(diǎn)是它的正向電流—電壓特性具有負(fù)阻（見(jiàn)圖4）。這種負(fù)阻是基于電子的量子力學(xué)隧道效應(yīng)，所以江崎二極管開(kāi)關(guān)速度達(dá)皮秒量級(jí)，工作頻率高達(dá)100吉赫。江崎二極管還具有小功耗和低噪聲等特點(diǎn)。江崎二極管可用于微波混頻、檢波（這時(shí)應(yīng)適當(dāng)減輕摻雜，制成反向二極管），低噪聲放大、振蕩等。由于功耗小，所以適用于衛(wèi)星微波設(shè)備。還可用于超高速開(kāi)關(guān)邏輯電路、觸發(fā)器和存儲(chǔ)電路等。

研究不同半導(dǎo)體材料制成的江崎二極管的基本特性，還能深入了解半導(dǎo)體中的能帶結(jié)構(gòu)和一些與量子力學(xué)有關(guān)的物理問(wèn)題。

量子隧穿效應(yīng)在量子力學(xué)里，量子隧穿效應(yīng)（Quantum tunnelling effect）指的是，像電子等微觀粒子能夠穿入或穿越位勢(shì)壘的量子行為，盡管位勢(shì)壘的高度大于粒子的總能量。在經(jīng)典力學(xué)里，這是不可能發(fā)生的，但使用量子力學(xué)理論卻可以給出合理解釋。

量子隧穿效應(yīng)是太陽(yáng)核聚變所倚賴(lài)的機(jī)制。量子隧穿效應(yīng)限制了太陽(yáng)燃燒的速率，是太陽(yáng)聚變循環(huán)的瓶頸，因此維持太陽(yáng)的長(zhǎng)久壽命。許多現(xiàn)代器件的運(yùn)作都倚賴(lài)這效應(yīng)，例如，隧道二極管、場(chǎng)致發(fā)射、約瑟夫森結(jié)、磁隧道結(jié)等等。掃描隧道顯微鏡、原子鐘也應(yīng)用到量子隧穿效應(yīng)。量子隧穿理論也被應(yīng)用在半導(dǎo)體物理學(xué)、超導(dǎo)體物理學(xué)等其它領(lǐng)域。

至2017年為止，由于對(duì)于量子隧穿效應(yīng)在半導(dǎo)體、超導(dǎo)體等領(lǐng)域的研究或應(yīng)用，已有5位物理學(xué)者獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)3。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李勇 - 副教授 - 西南大學(xué)