Изучение туннельного диода и описание его свойств на основе квантовой статистики. - 2 стр.

    В туннельном диоде верхняя часть валентной зоны в р-полупроводнике перекрывается с
нижней частью зоны проводимости в n-полупроводнике. При этом происходит туннельный
переход электронов зоны проводимости n на свободные уровни валентной зоны p или наоборот,
в зависимости от направления внешнего поля (рис.2) Для того, чтобы электроны могли пройти
через барьер, недостаточно только перечисленных условий. Необходимо, чтобы против
занятого электроном энергетического уровня (состояния) на одной стороне p-n-перехода был
свободный уровень (состояние) на другой стороне, куда может осуществиться переход
электрона. Как выполняется это условие в отсутствие внешнего поля, а также при различных
величинах и направлениях приложенного поля, можно уяснить, пользуясь рис. 2. На рис. 2,а
показано расположение энергетических зон р- и n-полупроводников в отсутствие внешнего
напряжения, а также распределение занятых и свободных уровней для участка
полупроводников в месте контакта, обведенного пунктирном кружком.
    В вырожденных полупроводниках, как и в металлах, электроны распределяются по
энергиям в соответствии со статистикой Ферми-Дирака. Кривая N(Е) выражает зависимость
плотности энергетических уровней выше дна зоны проводимости Еc для n-полупроводников и
вниз от потолка валентной зоны Еv р-полупроводнике. Кривая изображает плотность занятых
уровней электронами в n- и свободных уровней (дырок) в р полупроводнике. Разность значения
N(Е)-n(Е) представляет собой плотность свободных уровней, которые могут бить заняты
электронами. Заштрихованные участки в n- и р-полупроводниках изображают число занятых
электронами уровней, незаштрихованные - число свободных. Уровень Ферми расположен ниже
потолка валентной зоны Еv и выше дна зоны проводимости Еc. Максимум плотности свободных
(р) и занятых (n) состояний отмечены точками. Как видно, при отсутствии внешнего поля
условия для перехода слева направо валентных электронов на свободные уровни в зоне
проводимости n и справа налево электронов проводимости на свободные уровни валентной
зоне р одинаковы. Сквозь переход приходят два уравновешенных потока туннельных
электронов. Результирующий ток через переход равен нулю (рис. 2 а и рис. 3)
При подаче на диод положительного внешнего поля (+ на р и на n) границы Еc и Еv
сближаются; сближаются и точки максимумов свободных (р) и занятых (n) состояний. Поэтому
вероятность туннельного перехода электронов справа налево возрастает. Обратный переход
теперь менее вероятен, так как плотность занятых состояний в р-облости, с которых возможен
переход в n-областъ, уменьшается.
    Через переход пойдет прямой ток. Он возрастает до Imax с увеличением напряжения до тех
пор, пока точки максимума не будут расположены на одном уровне (рис.2,б и рис.3). При
дальнейшем увеличении прямого смещения ток будет уменьшаться, т.е. уменьшается плотность
занятых состоянии справа, с которыми уходят электроны,и плотность свободных электронов
слева.
    Предельный случай - при увеличении напряжения совпадают границы зон Ес и Еv и ток
падает до нуля (рис.2,в и рис.3). Туннельный переход электронов прекращается. Но
практически ток при этом уменьшается до так называемого избыточного. При дальнейшем
увеличении смещения ток через переход снова возрастает вследствие инжекции электронов из
n-области в р-область и инжекции дырок в р-область, как в обычном полупроводниковом диоде.
    При подаче на переход отрицательного внешнего поля (на р и + на n ) возрастает
перекрытие валентной зоны р и зоны проводимости n (рис.2,г и рис.3). Против занятых уровней
р будут располагаться свободные уровни п. Увеличение поля не изменит этого расположения, и
ток будет только возрастать. Величина обратного тока также объясняется односторонним
туннельным переходом электронов из р-области в n -область. Сопротивление диода в обратном
направлении меньше, чем в пропускном. Обратный ток растет с напряжением интенсивнее, чем
прямой, поэтому туннельный диод не будет иметь характеристики запирания, т.е. не будет
обладать односторонней проводимостью.

                            ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
   Все особенности полупроводниковых туннельных диодов отчетливо проявляются на вольт-
амперной характеристике (см. рис. 3). К параметрам ,.диода относятся, в частности, I max, Imin,
Umax, Umin и некоторые другие. Imax и Umax ограничивают участок 0-1 характеристики,
соответствующий возрастанию прямого туннельного тока. Вольт-амперная характеристика