Туннельный диод или диод Эсаки представляет собой тип полупроводникового диода , который имеет эффективное « отрицательное сопротивление » из-за квантово-механического эффекта, называемого туннелированием . Он был изобретен в августе 1957 года Лео Эсаки , Юрико Курозе и Такаши Судзуки, когда они работали в Tokyo Tsushin Kogyo, ныне известной как Sony . [1] [2] [3] [4] В 1973 году Эсаки вместе с Брайаном Джозефсоном получил Нобелевскую премию по физике за открытие эффекта туннелирования электронов , используемого в этих диодах. Роберт Нойснезависимо разработал идею туннельного диода, работая на Уильяма Шокли , но был разочарован от ее реализации. [5] Туннельные диоды были впервые изготовлены Sony в 1957 году [6] , а затем General Electric и другими компаниями примерно с 1960 года, и до сих пор производятся в небольших количествах. [7]
Туннельные диоды имеют сильно легированный переход положительный-отрицательный (PN) шириной около 10 нм (100 Å ). Сильное легирование приводит к нарушению запрещенной зоны , где состояния электронов зоны проводимости на N-стороне более или менее выровнены с состояниями дырок валентной зоны на P-стороне. Обычно они изготавливаются из германия , но также могут быть изготовлены из арсенида галлия и кремниевых материалов.
« Отрицательное» дифференциальное сопротивление в части их рабочего диапазона позволяет им работать как в генераторах и усилителях , так и в коммутационных цепях с использованием гистерезиса . Они также используются в качестве преобразователей частоты и детекторов . [8] : 7–35 Их низкая емкость позволяет им работать на микроволновых частотах, намного превышающих диапазон обычных диодов и транзисторов .
Из-за низкой выходной мощности туннельные диоды не получили широкого распространения: их ВЧ -выход ограничен несколькими сотнями милливатт из-за небольшого размаха напряжения. Однако в последние годы были разработаны новые устройства, использующие механизм туннелирования. Резонансно-туннельный диод ( RTD) достиг самых высоких частот среди всех твердотельных генераторов. [9]
Другой тип туннельного диода - это диод металл-изолятор-изолятор-металл (MIIM), где дополнительный слой изолятора обеспечивает « ступенчатое туннелирование » для более точного управления диодом. [10] Существует также диод металл-изолятор-металл (MIM), но из-за присущей ему чувствительности его нынешнее применение, по-видимому, ограничено исследовательскими средами. [11]
При нормальном прямом смещении , когда напряжение начинает увеличиваться, электроны сначала туннелируют через очень узкий барьер PN-перехода и заполняют электронные состояния в зоне проводимости на N-стороне, которые выравниваются с дырочными состояниями пустой валентной зоны на P-стороне. узла ПН. По мере дальнейшего увеличения напряжения эти состояния становятся все более рассогласованными, и ток падает. Это называется отрицательным дифференциальным сопротивлением , потому что ток уменьшается с увеличениемНапряжение. Когда напряжение превышает фиксированную точку перехода, диод начинает работать как обычный диод, в котором электроны перемещаются за счет проводимости через PN-переход, а не за счет туннелирования через барьер P-N-перехода. Наиболее важной рабочей областью туннельного диода является область «отрицательного сопротивления». Его график отличается от обычного диода с PN-переходом.