隧道二极管原理简介

简介

隧道二极管也称为Esaki二极管(江琦二极管),以Leo Esaki的名字命名,用于隧道效应。
隧道二极管的操作取决于称为“隧穿”的量子力学原理。日本科学家江琦也因为此项研究获得1973年诺贝尔物理学奖。在电子学中,隧穿意味着电子从小侧耗尽区直接流动,从n侧导带进入p侧价带。隧道二极管是重掺杂的p-n结二极管,其中电流随着电压的增加而减小。在隧道二极管中,电流是由“隧道效应”引起的。隧道二极管用作计算机中非常快速的开关设备,它还用于高频振荡器和放大器。


tunnel diode

在隧道二极管中,p型和n型半导体是重掺杂的,这意味着大量杂质被引入p型和n型半导体中。
这种重掺杂过程产生极窄的耗尽区。隧道二极管中杂质的浓度是普通p-n结二极管的1000倍。
在普通的p-n结二极管中,与隧道二极管相比,耗尽宽度较大。正常二极管中的这个宽耗尽层或耗尽区对抗电流。因此,耗尽层充当屏障。为了克服这个障碍,我们需要施加足够的电压。
当施加足够的电压时,电流开始流过正常的p-n结二极管。与普通的p-n结二极管不同,隧道二极管中的耗尽层的宽度非常窄。因此,施加小电压足以在隧道二极管中产生电流。隧道二极管能够比普通的p-n结二极管长时间保持稳定。它们还能够进行高速操作。

量子穿隧效应的概念

p-n结二极管中的耗尽区或耗尽层由正离子和负离子组成。由于这些正离子和负离子,在耗尽区中存在内置电势或电场。耗尽区域中的该电场以与外部电场(电压)相反的方向施加电力。我们需要记住的另一件事是,n型半导体中的价带和导带能级略低于p型半导体中的价带和导带能级。

这种能级差异是由于用于形成n型和p型半导体的掺杂剂原子(给体或受体原子)的能级差异所致。

普通p-n结二极管的电流状况

当正向偏置电压施加到普通p-n结二极管时,耗尽区的宽度减小,同时势垒高度也减小。然而,n型半导体中的电子不能穿透耗尽层,因为耗尽层的内建电压与电子流相反。


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如果施加的电压大于耗尽层的内建电压,则来自n侧的电子克服来自耗尽层的反向力,然后进入p侧。简言之,如果电子的能量大于势垒高度或势垒电势,则电子可以越过势垒(耗尽层)。


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因此,只有当施加的电压大于耗尽区的内建电压时,普通的p-n结二极管才产生电流。

隧道二极管中的电流状况

在隧道二极管中,n型半导体中的价带和导带能级低于p型半导体中的价带和导带能级。与普通的p-n结二极管不同,隧道二极管的能级差异非常大。由于这种高能级差异,n型材料的导带与p型材料的价带重叠。


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量子力学说,如果耗尽宽度非常小,电子将直接穿透耗尽层或势垒。隧道二极管的耗尽层非常小。
它是纳米级,因此,电子可以直接穿过小耗尽区从n侧导带进入p侧价带。在普通二极管中,当施加的电压大于耗尽区的内建电压时产生电流。但是在隧道二极管中,小于耗尽区内置电压的小电压足以产生电流。
在隧道二极管中,电子不需要克服来自耗尽层的反向力以产生电流。电子可以直接从n区的导带隧穿到p区的价带。因此,在隧道二极管中产生电流。


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隧道二极管的工作原理

1:无偏压隧道二极管

当没有电压施加到隧道二极管时,它被称为无偏隧道二极管。在隧道二极管中,由于重掺杂,n型材料的导带与p型材料的价带重叠。


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由于这种重叠,n侧的导带电子和p侧的价带孔几乎处于相同的能级。因此,当温度升高时,一些电子从n区的导带隧穿到p区的价带。以类似的方式,空穴从p区的价带隧穿到n区的导带。然而,净电流将为零,因为相同数量的电荷载流子(自由电子和空穴)沿相反方向流动。

2:隧道二极管微弱偏压

当向隧道二极管施加小电压时,该电压小于耗尽层的内建电压,没有正向电流流过该结。然而,n区的导带中的少量电子将隧穿到p区中的价带的空状态。这将产生小的正向偏置隧道电流。因此,隧道电流在很小的电压施加下开始流动。


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3:施加增加的微弱电压

当施加到隧道二极管的电压稍微增加时,产生n侧的大量自由电子和p侧的空穴。由于电压的增加,导带和价带的重叠增加。


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简而言之,n侧导带的能级变得恰好等于p侧价带的能级。结果,最大隧道电流流动。

4.电压继续上升

如果施加的电压进一步增加,则发生导带和价带的轻微错位


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由于n型材料的导带和p型材料的价带重叠。电子从n区的导带隧穿到p区的价带并引起小的电流流动。因此,隧道电流开始下降。

5.继续加大偏压

如果施加的电压大幅增加,则隧道电流降至零。此时,导带和价带不再重叠,隧道二极管以与普通p-n结二极管相同的方式工作。


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如果该施加的电压大于耗尽层的内置电位,则常规正向电流开始流过隧道二极管。随着电压增加电流减小的曲线部分是隧道二极管的负电阻区域。负电阻区域是隧道二极管最重要和最广泛使用的特性。在负电阻区域中操作的隧道二极管可以用作放大器或振荡器。

隧道二极管的优点

  • 长寿命
  • 高速运行
  • 低噪音
  • 低功耗

    隧道二极管的缺点

  • 隧道二极管不能大量制造
  • 作为双端器件,输入和输出不是彼此隔离的。

    隧道二极管的应用

  • 隧道二极管用作逻辑存储器存储设备。
  • 隧道二极管用于张弛振荡器电路。
  • 隧道二极管用作超高速开关。
  • 隧道二极管用于FM接收器。

    参考网址