Диод Есаки (туннельный диод) и его модификации

Японский физик Лео Есаки в 1958 г создал случайно диод с необычными свойствами, заключающимися в наличии участка с отрицательным сопротивлением и способностью усиливать сигнал. В процессе изучения внутренней полевой эмиссии в вырожденном германиевом p-n переходе он обнаружил "аномальную" ВАХ: дифференциальное сопротивление на одном из участков характеристики было отрицательным. Этот эффект он объяснил с помощью концепции «квантовомеханического туннелирования» и при этом получил приемлемое согласие между теоретическими и экспериментальными результатами. Не беда, что туннелирование нарушает законы физики: туннелировать, -значит, проникать сквозь барьер, как значительно позже стал проникать Дэвид Коперфильд через Великую Китайскую стену. Если б такое было возможным, электроны в атомах могли бы перескакивать с одной орбиты на другую, наступил бы процесс спонтанной мутации химических элементов и полный хаос. Появление же указанного эффекта исключительно в теории полупроводников лишь подчеркивает ее блефовую основу и полную несостоятельность квантовомеханической теории.

Туннельный диод представляет собой простой p-n переход, обе стороны которого сильно легированы. Это означает, что в диоде Есаки (ДЕ) образуются дополнительные переходы (рис. 33)

Рисунок 33 - Дополнительные переходы диода Есаки.

Малая ширина основного перехода рождает принципиально новое свойство, связанное с неидеальностью линии границы перехода. Ширина d оказывается распределенной неравномерно по сечению канала (рис.34), отчего диод оказывается состоящим из многих параллельно включенных диодов с различающимися значениями d, причем некоторые участки сечения образуют встречное включение переходов. Сумма этих участков может рассматриваться как один паразитный диод.

Рисунок 34 - Вероятностное представление границ перехода ДЕ.

а- нормальное соотношение между шириной перехода и нестабильностью его границ; б- потенциалы границ при нормальном соотношении; в- взаимное перекрытие границ перехода.

Дополнительные переходы также должны выполняться с резкой границей, что позволит им также переходить в режим паразитной проводимости.

В отличии от существующей теории мы рассматриваем векторы напряженностей, а не разностей потенциалов. Это оказывается решающим фактором для независимого анализа группы параллельных диодов, поскольку появляются участки с противоположным направлением напряженности. На рис. 35 схематично изображен ДЕ, в котором дополнительные переходы объединены в один. Теперь анализ работы ДЕ распадается на несколько частей: состояние основного и дополнительного переходов, а также включения или выключения паразитных режимов. Число сочетаний режимов 4-х диодов становится большим, поэтому анализ работы диода проводим раздельно.

Рисунок 35 - Схематическое представление ДЕ.

Введем признаки принадлежности параметров тому или иному диоду: параметры паразитных диодов будем отмечать точкой вверху, что позволит нам сохранить обозначения без индексов для нормального диода основного перехода.

В исходном состоянии замыкание внешних выводов ДЕ приводит к глубокому запиранию обоих переходов (рис.4), что означает включение паразитных диодов. Приложив внешнее прямое напряжение, мы еще сильнее открываем диод , но запираем диод , приближая основной переход к открыванию. Именно в этот момент происходят самые любопытные процессы. Поэтому целесообразно дальнейшее рассмотрение сосредоточить на этой фазе переключения основного перехода.

На рисунке 36 показаны ВАХ диодов основного перехода.

Рис. 36. Вольтамперные характеристики нормального (1) и паразитного (2) диодов основного перехода.

В момент достижения напряжения пятки Ud= UП паразитный диод закрывается. Одновременно открывается нормальный диод и на участке кривой 2, помеченном пунктирной линией, их токи будут вычитаться, что и приводит к появлению горба результирующей ВАХ (рис.37). Рост тока нормального диода приводит к еще одному нюансу, а именно – к появлению положительной обратной связи. Она создается за счет падения напряжения на ширине  перехода протекающим током и, суммируясь с исходной разностью потенциалов ∆φ , заметно повышает крутизну ветви 1. поэтому результирующая ВАХ (рис. 4) представляет собой не просто разность токов двух диодов (участок АБ), а еще и некоторое усиление ее.

Рисунок 37 - Результирующая ВАХ диода Есаки.

Нагрузочная линия задает наклон переключения рабочей точки диода. В прямом направлении переключение показано стрелкой из точки А, в обратном – выбор происходит автоматически в момент равенства динамического сопротивления диодов.

Ток паразитного диода выражается аналогично обычному диоду и для прямого смещения запишем

(1),

где a- коэффициент, характеризующий долю поперечного сечения канала, перешедшую к паразитному диоду;

b- коэффициент, характеризующий разность потенциалов на переходе паразитного диода относительно – основного .

Динамическое сопротивление паразитного диода определяем дифференцированием

 (2).