被称为江琦二极管或Esaki二极管的隧道二极管是根据Leo Esaki而命名的,它利用了隧穿效应的量子力学原理进行操作。1973年,日本科学家江琦凭借对该研究的贡献获得了诺贝尔物理学奖。在电子学中,隧穿指的是电子直接从n型导带通过耗尽区流向p型价带。隧道二极管是一种高度掺杂的p-n结二极管,其电流随着电压的增加而减小。隧道二极管中的电流是由隧道效应引起的。这种二极管被广泛用作计算机中的高速开关设备,并用于高频振荡器和放大器。
在隧道二极管中,p型和n型半导体被高度掺杂,这导致大量杂质进入其中。这个过程形成了非常窄的耗尽区。隧道二极管中的杂质浓度是普通p-n结二极管的1000倍。相比之下,普通的p-n结二极管具有较宽的耗尽区。这个宽耗尽区在普通二极管中起到阻隔电流的作用。因此,耗尽层充当着屏障的角色。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,电流开始通过普通的p-n结二极管流动。然而,与普通二极管不同,隧道二极管中的耗尽层非常窄,因此只需施加较小的电压即可产生电流。隧道二极管能够长时间保持稳定,并且能够进行高速操作。
量子隧穿效应的概念
在p-n结二极管中,耗尽区或耗尽层由正离子和负离子组成。这些正离子和负离子导致耗尽区具有内置电势或电场。该电场与外部电场(电压)方向相反地作用于耗尽区。此外,需要注意的是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形成n型和p型半导体所使用的掺杂剂原子(给体或受体原子)的能级差异造成的。
普通p-n结二极管的电流情况
当正向偏置电压施加到普通p-n结二极管上时,耗尽区的宽度减小,同时势垒高度也减小。然而,由于耗尽层的内置电势与电子流方向相反,n型半导体中的电子无法穿越耗尽层。
只有当施加电压大于耗尽区的内置电势时,来自n侧的电子才能克服来自耗尽层的反向力进入p侧。简言之,只有当电子的能量大于势垒高度或势垒电势时,电子才能穿越势垒(耗尽层)。
因此,普通p-n结二极管只有在施加的电压大于耗尽区的内置电势时才会产生电流。
隧道二极管的电流情况
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。由于这种巨大的能级差异,n型材料的导带与p型材料的价带重叠。
根据量子力学理论,如果耗尽宽度非常小,电子将直接通过耗尽层或势垒进行穿透。隧道二极管的耗尽层非常窄,达到纳米级别。因此,电子可以直接从n侧导带隧穿至p侧价带。在普通二极管中,只有当施加的电压大于耗尽区的内置电势时才会产生电流。但在隧道二极管中,即使小电压低于耗尽区内置电势,也足以产生电流。
在隧道二极管中,电子无需克服来自耗尽层的反向力即可产生电流。它们可以直接通过隧穿从n区的导带到p区的价带。因此,在隧道二极管中会产生电流。
无偏置状态下的隧道二极管
当隧道二极管没有施加电压时,它被称为无偏置隧道二极管。在这种情况下,由于双重掺杂,n型材料的导带和p型材料的价带发生重叠。
由于导带和价带的重叠,n侧的导带电子和p侧的价带空穴几乎处于相同的能级上。因此,在温度升高时,一些电子从n区的导带通过隧穿效应进入到p区的价带中,同时空穴从p区的价带通过隧穿效应进入到n区的导带中。然而,由于沿相反方向流动的电荷载流子(自由电子和空穴)数量相等,净电流为零。
微弱偏置下的隧道二极管
当对隧道二极管施加微小电压时,该电压小于耗尽层的内建电压,因此没有正向电流通过该结。然而,n区导带中的少量电子将通过隧穿效应进入到p区价带的空态。这会产生微弱的正向偏置隧道电流。因此,隧道电流开始在微小的电压施加下流动。
增加微弱电压
当施加到隧道二极管的电压稍微增加时,n区会产生大量自由电子,p区会产生大量空穴。由于电压的增加,导带和价带之间的重叠也增加。
简而言之,n侧导带的能级恰好与p侧价带的能级相等。因此,最大隧道电流开始流动。
电压继续上升
如果施加的电压进一步增加,导带和价带会发生轻微的错位。
由于n型材料的导带和p型材料的价带重叠,电子将通过隧穿效应从n区的导带进入p区的价带,从而引起微小的电流流动。因此,隧道电流开始下降。
关键词:罗姆二极管