Niesamowite urządzenie półprzewodnikowe - dioda tunelowa

Podczas studiowania mechanizmu rektyfikacji zmiennejprąd w obszarze kontaktu dwóch różnych mediów - półprzewodnika i metalu, postawiono hipotezę, że jest on oparty na tzw. efekcie tunelowym nośników ładunku. Jednak w tym czasie (1932) poziom rozwoju technologii półprzewodnikowych nie pozwolił na potwierdzenie domysłów z doświadczenia. Dopiero w 1958 r. Japoński naukowiec Esaki zdołał doskonale to potwierdzić, tworząc pierwszą w historii diodę tunelową. Dzięki swoim niesamowitym cechom (w szczególności prędkości), to urządzenie przyciągnęło uwagę specjalistów z różnych dziedzin techniki. Warto tutaj wyjaśnić, że dioda to urządzenie elektroniczne, które stanowi połączenie w jednym pakiecie dwóch różnych materiałów o różnych typach przewodności. Dlatego prąd elektryczny może przepływać przez niego tylko w jednym kierunku. Zmiana biegunowości prowadzi do "zamknięcia" diody i zwiększenia jej oporu. Wzrost napięcia prowadzi do "awarii".

Zastanów się, jak działa dioda tunelowa. Klasyczne półprzewodnikowe urządzenie prostownicze wykorzystuje kryształy o ilości zanieczyszczeń nie większej niż 10, do mocy 17 (-3 stopnia centymetra). A ponieważ parametr ten jest bezpośrednio związany z liczbą wolnych nośników ładunku, okazuje się, że ten ostatni nigdy nie może być większy niż określony limit.

Istnieje wzór określający grubość strefy pośredniej (połączenie p-n):

L = ((E * (Uk-U)) / (2 * Pi * q)) * ((Na + Nd) / (Na * Nd)) * 1050000,

gdzie Na i Nd to liczba zjonizowanych akceptorówi darczyńcy, odpowiednio; Pi - 3,1416; q jest wartością ładunku elektronowego; U to zastosowane napięcie; Wielka Brytania jest potencjalną różnicą w sekcji przejściowej; E jest wartością stałej dielektrycznej.

Konsekwencją formuły jest fakt, że dlaZłącze p-n klasycznej diody charakteryzuje się niską wytrzymałością pola i stosunkowo dużą grubością. Aby elektrony dostały się do wolnej strefy, potrzebują dodatkowej energii (raportowanej z zewnątrz).

Dioda tunelowa wykorzystuje w swojej konstrukcjitakie typy półprzewodników, które zmieniają zawartość zanieczyszczeń do 10 na stopień 20 (-3 stopnie centymetra), co jest rzędem wielkości różnym od klasycznego. Prowadzi to do drastycznego zmniejszenia grubości przejścia, gwałtownego wzrostu natężenia pola w obszarze p-n, aw rezultacie do pojawienia się połączenia tunelowego, gdy elektron nie potrzebuje dodatkowej energii, aby wejść do pasma walencyjnego. Wynika to z faktu, że poziom energii cząstki nie zmienia się wraz z przejściem przez barierę. Dioda tunelowa może być łatwo odróżniona od zwykłych dzięki swojej charakterystyce prądowo-napięciowej. Ten efekt tworzy pewnego rodzaju wzrost - ujemną wartość różnicy oporu. Z tego powodu diody tunelowe są szeroko stosowane w urządzeniach wielkiej częstotliwości (zmniejszanie grubości szczeliny p - n sprawia, że ​​takie urządzenie szybko działa), dokładny sprzęt pomiarowy, generatory i oczywiście technologia komputerowa.

Chociaż prąd z efektem tunelowym możeprzepływ w obu kierunkach, z bezpośrednim połączeniem diody, napięcie w strefie przejściowej wzrasta, zmniejszając liczbę elektronów zdolnych do tunelowania. Zwiększenie napięcia prowadzi do całkowitego zniknięcia prądu tunelowania i wpływa tylko na zwykły prąd rozproszony (jak w klasycznych diodach).

Istnieje również inny przedstawiciel takichurządzenia - dioda odwrócona. Reprezentuje tę samą diodę tunelową, ale ze zmienionymi właściwościami. Różnica polega na tym, że wartość przewodności na połączeniu zwrotnym, w której zwykłe urządzenie rektyfikacyjne "zamyka się", jest wyższa niż wartość bezpośrednia. Pozostałe właściwości odpowiadają diodzie tunelowej: prędkość, niski hałas własny, zdolność do korygowania zmiennych składników.