隧道二极管.docx

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隧道二极管

隧道二极管的伏安特性及其参数

基于重掺杂PN结隧道效应而制成的半导体两端器件。

隧道效应是1958年日本江崎玲於奈在研究重掺杂锗PN结时发现的，故隧道二极管又称江崎二极管。

这一发现揭示了固体中电子隧道效应的物理原理，江崎为此而获得诺贝尔奖金物理学奖。

隧道二极管通常是在重掺杂N型（或P型）的半导体片上用快速合金工艺形成高掺杂的PN结而制成的；其掺杂浓度必须使PN结能带图中费米能级进入N型区的导带和P型区的价带；PN结的厚度还必须足够薄（150埃左右），使电子能够直接从N型层穿透PN结势垒进入P型层。

这样的结又称隧道结。

　　隧道二极管的主要特点是它的正向电流－电压特性具有负阻（见图）。

这种负阻是基于电子的量子力学隧道效应，所以隧道二极管开关速度达皮秒量级,工作频率高达100吉赫。

隧道二极管还具有小功耗和低噪声等特点。

隧道二极管可用于微波混频、检波（这时应适当减轻掺杂，制成反向二极管），低噪声放大、振荡等。

由于功耗小，所以适用于卫星微波设备。

还可用于超高速开关逻辑电路、触发器和存储电路等。

       1958年江崎（L.Esaki）发现“隧道二极管”，这种二极管常常被称为“江崎二极管”。

在江崎的部分博士论文工作中，他研究了应用于高速双极晶体管的锗重掺杂p-n结，其中需要窄的和重掺杂的基区。

在1973年，因为江崎在隧道二极管方面的开创性工作，他获得了物理学诺贝尔奖。

后来，其它研究人员采用其它材料也证实了隧道二极管，如1960年的GaAs（胡恩亚克（Hoonyak）、莱斯克（Lesk））[3]和InSb（巴特多夫（Batdorf）等）、1961年的硅（查诺韦思（Chynoweth）等）和InAs（克莱因克内希特（Kleinknecht））以及1962年的GaSb（卡尔（Carr））和InP（伯勒斯（Burrus））。

       隧道二极管的主要引人瞩目之处，除了其负微分电阻（负阻）以外，是高速工作，因为它是一种多数载流子器件，而且并不遭受少数载流子存储影响。

量子力学隧穿，是它不受漂移传输时间限制的固有高速工作机理。

隧道二极管的缺点是：

（1）由于隧穿电流小，振荡器的功率低；

（2）因为它是两端器件，没有输入和输出隔离；（3）器件的重复性特别是集成电路的重复性有些问题。

尽管在二十世纪六十年代这种器件看起来满有发展希望，但用作振荡器，却被TED和IMPATT取代；用作开关元件，也被场效应晶体管取代。

通常，它仅在微波低噪声放大器方面得到非常有限的应用。

       其结构除掺杂浓度非常高（简并）和突变以外，隧道二极管类似于p-n结。

典型浓度高达5×1019cm－3，耗尽宽度在5到10纳米范围。

由于耗尽宽度小，隧道二极管的电容量非常大。

对于高频工作，要求二极管面积很小。

锗已成为最常用的衬底材料，其原因之一是其很小的能隙，可提供很有效的隧穿。

能够采用以下方法之一来制作隧道二极管：

1.      球形合金：

把含有适当掺杂剂的合金用来与重掺杂衬底接触，在大约5000C温度下，合金迅速融化（约1分钟），掺杂剂从合金扩散出来。

然后采用腐蚀方法来刻出台面结构。

2.      脉冲键合：

将含有适当掺杂剂合金涂层的金属线，压制在重掺杂衬底上。

用局部合金方法，电压脉冲作用形成结。

这种方法可制作很小的二极管区，但是不能控制精确的区域。

       平面技术：

利用一些绝缘层，将其中的多数重掺杂衬底掩蔽起来。

在暴露区域，采用扩散、合金或外延生长方法，能够对有源区引入掺杂。

一种可供选择的方案是，在整个硅片的表面上生长一层均匀的外延层，通过腐蚀台面结构刻出二极管。

隧道二极管典型I-V特性的特点是峰值电压Vpe和谷底电压Vv之间的N型负微分电阻（电压控制的负阻）。

对于正向和反向两个方向，原点附近的特性几乎呈对称。

电流由不同分量组成。

产生负微分电阻的要素，是导带和价带之间电子的隧穿。

   隧穿是量子力现象。

当载流子面对三角形势垒时，隧穿几率可由一组数学表达式得出。

    在隧道二极管的情况下，表达式中的α是耗尽宽度，qφb是能隙。

对于高隧穿电流，需要有小的有效质量、小的能隙和窄的耗尽宽度。

隧穿的严格要求是，势垒的另一边必须是可用的空态，以便电子隧穿到该能态。

这些空态必须处于同一能级，因为隧穿要求能量守恒。

后两种要求只满足结两边是否掺杂到费米能级处于能带之内（简并）的程度。

   利用其能带图，可定性解释其一般I-V特性。

为了简单性，假设为低温，以便费米分布是突变的（即费米能级以上的能态为空态，而费米能级之下的能态为满态）。

在反偏置下，电子从p型材料的价带隧穿到n型材料的导带，而电流呈单一性增加。

在达到Vpe的正偏置下，当EFn与p型材料的EV排列一致时，来自导带的电子将在价带中找到越来越多的可用空态，同时电流增加到峰值Ipe。

超过该点时，可用的空态（在相同能级为电子）开始减少。

当n型材料的EC与p型材料的EV排列一致时，则没有空态可用，而且隧穿电流下降到零。

这种隧穿电流可以用一种经验公式来近似。

   隧道二极管的有效优质系数是峰-谷电流之比（Ipe/IV），表6.1示出了不同材料的数值。

这里可见，尽管硅的技术成熟，它仍具有最低的峰-谷电流比。

表6.1各种材料的隧道二极管的典型特性

Ge

GaAs

Si

Ipe/IV

10－15

10－20

3－5

Vpe（mV）

40－70

90－120

80－100

VV（mV）

250－350

450－600

400－500

   隧道二极管的多数应用都是利用其负微分电阻或高速能力。

其高速能力应用于微波调制、混频和检波是有效的。

也发现隧穿对温度不敏感，这种特点有时便成为优点，可以把隧穿用作研究能带结构特别是间接能隙材料的某些特性的研究工具。

但是，由于隧道二极管的重复性差、峰-谷电流比小、电流驱动能力低，以及可利用其它器件完成类似电路功能等问题，其普及性下降了。

由于其工艺与集成电路不兼容，目前它的有限应用主要局限于分立元件。

隧道二极管

隧道二极管TD（TunnelDiode）的原理及检测方法

    隧道二极管TD（TunnelDiode）是根据隧道效应而制成的半导体器件。

它具有负阻特性，适用于高频电路、微波通信、雷达设备中的前级放大和振荡。

下面介绍其工作原理及测试方法。

1．工作原理    

    众所周知，对普通的PN结，只有外加偏压超过势垒时，电子才能通过耗尽层形成电流。

硅材料的势垒约为0.7V，锗材料的势垒约0.15～0.3V。

但是，如果PN结非常薄（厚度仅0.01μm），并且掺杂浓试又特别高，电子就会象火车通过隧道那样穿透势垒，形成隧道电流。

这种现象就叫作隧道效应。

    国产隧道二极管的典型产品有2BS1～2BS4。

图1分别示出2BS4,2BS1的外形，以及隧道二极管的电路符号。

对于2BS4A，靠近管壳红点处的管脚为正极。

　　研究不同半导体材料制成的隧道二极管的基本特性，还能深入了解半导体中的能带结构和一些与量子力学有关的物理问题。

隧道二极管的伏安特性，如图1（a）所示，是一条S型特性曲线。

曲线中最大电流点P，称为峰点；最小电流点V，称为谷点。

隧道二极管的主要参数：

（1）峰点电压Up，约几十毫伏，谷点电压Uv，约几百毫伏

（2）峰点电流Ipi，约几毫安，谷点电流Iv约几百微安

（3）峰谷电流比，约为5-6，越大越好

（4）谷点电容Cv，几微法至几十微法，越小越好，国产2BS4A：

Up=80毫伏，Ip=4毫安，峰谷电流比≥5，Cv=10～15微法，Uv=280毫伏。

图1隧道二极管的伏安特性

图1（b）是常用的隧道二极管脉冲电路，若选取R、E的不同数值，可作三种具有代表性的直流负载线：

负载线Ⅰ图1（a）与伏安特性交于低压正阻区a点，它是稳定点，用于构成单稳电路。

负载线Ⅱ与伏安特性相交于负阻区的b点，它是不稳定点，用于构成多谐振荡电路。

负载线Ⅲ与伏安特性交于C、D、E三点，C、E为稳定点，D为不稳定点，用于构成双稳电路，因此，选取不同的静态工作点负载线，就可获得不同类型的脉冲电路。

隧道二极管脉冲电路

由于隧道二极管的脉冲电路，结构简单，变化速度快，功耗小，因此在高速脉冲技术中得到广泛的应用，可以用隧道二极管构成双稳电路，单稳电路，多谐振荡电路，以及用作整形和分频电路等。

（1）隧道二极管单稳态电路

图2隧道二极管单稳态电路

图2（a）是单稳态是路，若调节电位器R1，使由R1//R2及R2E/（R1+R2）作出的负载线I处于低压正阻区内，其静态工作点Q是稳定点（图2（b）），这时若无触发脉冲作用，电路处于稳定状态。

但在触发脉冲us作用下，负载线从I移至II，由于隧道不能停留在负阻区，及电感不允许电流突变，所以当电流I增至峰点电流时，就发生如下的恒流跃变：

各点变化的电压组成的输出波形如图2（C）所示，脉冲宽度为：

ts=（L/RΣ）In[（ET-IvRΣ）/（ET-IpRΣ）]（适用于工作在特性曲线低压段）。

式中：

RΣ=RT+R1//R2，RT=Up/Ip

ET=E[R2/（R1+R2）

L≈UFts/2（Ip-Iv）

脉冲前沿：

tr≈Cs[（Uv-UA）/Iv]

Cs为隧道二极管的结电容和分布电容，

（2）隧道二极管多谐振荡电路

图3隧道二极管谐振荡器

图3（a）为自激多谐振荡电路。

静态工作点Q置于负阻区（见图3（b））。

当接通电源后，电流I从零开始增至峰点电流，Ipo但由于静态点不稳点，加上电感不允许电流突变，所以电流增至Ip后，周而复始地进行，从而产生了快速的矩形脉冲（见图3（C））。

其参数如下：

脉冲宽度：

T1≈（L/RΣ）In[（UF-ET+IpRΣ1）/（Uv-ET+IvRΣ1）]

脉冲间隔：

T2≈（L/RΣ2）In[（ET-IvRΣ2）/ET-IpRΣ2）]

式中：

RΣ1=R1//R2+（UF-Uv）/（Ip-Iv）

RΣ2=R1//R2+（Up/Ip）,ET=E[R2/（R1+R2）]

（4）隧道二极管双稳态电路

图4隧道二极管双稳态电路

图4（a）为双稳态电路，它有两个稳定的静态点Q1及Q3和一个不稳定点Q2（见图4（b））。

当接通电源后，电流增至IQ1就稳定下来。

设触发脉冲U2经过Rs及C1作用于隧道二极管。

若幅度足够大，就能把负载线推至P点外[虚线①，又由于电感存在，从P点恒流跃变至F点，再从F→Q3（当正尖脉冲消失后，负载线回至实线位置）接着，负尖脉冲又把负载线推至左边（虚线②），开始恒流跃变：

即从V→M→Q1。

随着正、负尖脉冲的交替作用，产生了周期的矩形波（见图4（C））。

（5）隧道二极管与晶体管的组合使用

国产的隧道二极管全都是锗材料做成的，其峰值电压约为0.25伏左右，若这种锗的遂道二极管要与硅晶体管并联使用时，则遂道二极管BG2要串接反向二极管BG1（同了图5（a），反向二极管是一种变种的隧道二极管，其峰点电流特别小，正向特性与普通二极管相似，但反向电压作用时，电流急剧增加，温度特性十分稳定。

图5隧道二极管整形电路

从图5（b）可见，反向二极管与隧道二极管串接后，其组合特性：

在电压较低时由反向二极管决定：

在电压较高时，与硅晶体管的正向特性类似，两者之间又存在负阻区，若按图5（b）设置静态点Q1，当A为低平电平时，B为高电平（0.8伏），BG3导通，集电极电压Uc3=3伏。

BG4的射极输出端Uo为零伏低电平，当A点为负电平Um时，负载线向左转移，很快地进入另一稳定点Q3。

UQ3低于BG3的载止电压，故BG3载止，输出，输出Uo为高电平，约18伏左右。

一旦当A点回到零平时，负载线回到右边，工作点从Q3→P→F→Q1点，输出Uo又迅速回到零电平，由于隧道二极管的变化速度特别快，所以输出脉冲的前后沿很陡。

晶体管示波器常用隧道二极管作整形电路。

隧道二极管单稳态电路

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隧道二极管无稳态电路

负阻振荡器-正文

　　用负阻器件和LC谐振回路构成的正弦波发生器。

由于负阻器件与谐振回路的连接只需两个端点，所以又称二端振荡器。

负阻振荡器

　　负阻器件的伏安特性曲线如图1a。

在特性曲线的ɑ～b区段内，当电压增大时电流反而减小，即电压增量墹u=u2-u1是正值时，电流增量墹i=i2-i1是负值,所以在这一区段内负阻器件的动态电阻R为负值，即

R＝墹u/墹i＝－|墹u|/|墹i|

负阻不但不消耗交流功率，而且还向与它相连接的外电路供给交流功率。

　　负阻器件有两类。

①电压控制型：

其特点是电流为电压的单值函数，而电压却不是电流的单值函数。

这种器件的伏安特性曲线形状如字母N（图1a），故又称N型负阻,隧道二极管等具有这种特性。

②电流控制型:

其特点是电压为电流的单值函数,而电流却不是电压的单值函数，其伏安特性曲线的形状如字母S（图1b），故又称S型负阻，双基极二极管等具有这种特性。

负阻振荡器

　　负阻器件与谐振回路连接的方式有二。

一为电流控制型负阻器件与串联谐振回路相连接,如图2的双基极二极管负阻振荡电路。

一为电压控制型负阻器件与并联谐振回路相连接,如图3的隧道二极管负阻振荡电路。

负阻振荡器

　　在负阻振荡器中，只要负阻所提供的功率大于外电路（谐振回路及负载）正阻所消耗的功率，电路即能起振并持续振荡。

由于负阻器件本身的非线性特性，负阻的数值随着振荡幅度的增大而变化：

对于电流控制型负阻器件，它将变小：

而对于电压控制型负阻器件，它将变大。

两者都会使负阻供给的功率逐渐减小，直到与正阻所消耗的功率相等，使振荡幅度趋于稳定。

　　负阻振荡器在通信设备和电子仪器中用作信号源，常用于频率比较高的场合。

　　60年代以来，陆续发明了不少新型的固态负阻器件和据此构成的负阻振荡器。

在微波频段,除了上述的隧道二极管振荡器外，最主要的有雪崩渡越时间二极管振荡器和转移电子器件振荡器。

它们与微波真空电子器件（反射速调管、磁控管、返波管等）振荡器比较,具有耗电少、直流供电电压低、结构简单、体积小、成本低等优点，缺点是输出功率较小，耐核辐射能力差。

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