[科普中國]-隧道二極管

隧道二極管的工作符合發(fā)生隧道效應(yīng)具備的三個條件：

（1）費米能級位于導(dǎo)帶和滿帶內(nèi)；

（2）空間電荷層寬度必須很窄（0.01微米以下）；

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

隧道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"P"代表"峰"；而下標"V"代表"谷"。簡單地說,所謂"隧道效應(yīng)"就是指粒子通過一個勢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。隧道二極管可以被應(yīng)用于低噪聲高頻放大器及高頻振蕩器中（其工作頻率可達毫米波段），也可以被應(yīng)用于高速開關(guān)電路中。

基于重摻雜PN結(jié)隧道效應(yīng)而制成的半導(dǎo)體兩端器件。隧道效應(yīng)是1958年日本江崎玲於奈在研究重摻雜鍺PN結(jié)時發(fā)現(xiàn)的，故隧道二極管又稱江崎二極管。這一發(fā)現(xiàn)揭示了固體中電子隧道效應(yīng)的物理原理，江崎為此而獲得諾貝爾獎金物理學(xué)獎。隧道二極管通常是在重摻雜 N型（或 P型）的半導(dǎo)體片上用快速合金工藝形成高摻雜的PN結(jié)而制成的；其摻雜濃度必須使PN結(jié)能帶圖中費米能級進入N型區(qū)的導(dǎo)帶和P型區(qū)的價帶；PN結(jié)的厚度還必須足夠?。?50埃左右），使電子能夠直接從N型層穿透PN結(jié)勢壘進入P型層。這樣的結(jié)又稱隧道結(jié)。

隧道二極管PN結(jié)兩側(cè)均為摻雜濃度高達的簡并半導(dǎo)體。二極管的伏安特性曲線如下圖1所示，利用簡并半導(dǎo)體PN結(jié)的能帶圖可定性說明隧道二極管的特性。

由于PN結(jié)兩側(cè)高摻雜，費米能級都進入各自能帶中，平衡時具有統(tǒng)一費米能級，則隧道二極管PN結(jié)的勢壘區(qū)能帶傾斜比普通PN結(jié)更為嚴重，勢壘區(qū)厚度較薄，平衡時能帶如下圖2（a）所示，由于費米能級以上為空態(tài)，費米能級以下狀態(tài)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(qū)和N區(qū)的費米能級發(fā)生移動，載流子發(fā)生運動才有可能形成電流。

下圖2（b）為PN結(jié)反偏時能帶圖。反偏使P區(qū)費米能級相對N區(qū)費米能級向上移動，使P區(qū)以下一部分電子態(tài)與N區(qū)以上部分空態(tài)處于相同能量水平，則有P區(qū)的電子通過勢壘“隧道”穿越到N區(qū)，形成反向隧道電流。對應(yīng)于圖1中1點。

圖2（c）~（g）為PN結(jié)正向偏置時的能帶圖。隨著正向偏壓增加，相對于向上移動，對應(yīng)于圖2（c），以下部分電子與以上部分空態(tài)處于相同能量，則有N區(qū)電子穿過隧道到達P區(qū)形成正向隧道電流，對應(yīng)于圖1中2點。正向偏壓增加，相對于向上移動，N區(qū)導(dǎo)帶電子態(tài)與P區(qū)價帶空態(tài)重疊更多，正向隧道電流增大，當(dāng)能帶重疊最多時，穿過隧道的載流子數(shù)達到攝大，正向隧道電流達到極大值，對應(yīng)于圖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(qū)電子態(tài)與P區(qū)空態(tài)重疊部分逐漸減小，穿過隧道的N區(qū)電子數(shù)減小，正向隧道電流減小，對應(yīng)圖2（e）和圖1中4點。當(dāng)正向偏壓增加使向上移到N區(qū)的電子態(tài)與P區(qū)空態(tài)不發(fā)生重疊時，正向隧道電流降到最小值，對應(yīng)圖2（f）和圖1中5點。當(dāng)正向電壓進一步增大時，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，對應(yīng)于圖2（g）和圖1中6點。

可見隧道二極管伏安特性曲線有兩個正斜率區(qū)和一個負斜率區(qū)。從3點到5點范圍，隨正向電壓增加，電流減小，出現(xiàn)負阻特性。在一定的電流范圍內(nèi)，電壓是電流的多值函數(shù)1。

隧道二極管的電氣符號如下圖所示2：

隧道二極管的主要特點是它的正向電流—電壓特性具有負阻（見圖）。這種負阻是基于電子的量子力學(xué)隧道效應(yīng)，所以隧道二極管開關(guān)速度達皮秒量級,工作頻率高達100吉赫。隧道二極管還具有小功耗和低噪聲等特點。隧道二極管可用于微波混頻、檢波（這時應(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。還可用于超高速開關(guān)邏輯電路、觸發(fā)器和存儲電路等。

研究不同半導(dǎo)體材料制成的隧道二極管的基本特性，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)的物理問題。