Was ist eine Tunnel-Diode?

Was ist eine Tunnel-Diode?

Tunnel-Diode

Eine Tunnel-Diode (auch bekannt als Esaki-Diode) ist eine Art von Halbleiterdiode, die aufgrund des quantenmechanischen Effekts der Tunneldurchdringung effektiv "negative Widerstand" aufweist. Tunnel-Dioden haben eine stark dotierte pn-Schicht, die etwa 10 nm breit ist. Die starke Dotierung führt zu einer unterbrochenen Bandlücke, bei der Zustände der Leitungsbänder auf der N-Seite mehr oder weniger mit den Zuständen des Valenzbandes auf der P-Seite ausgerichtet sind.

Transistoren haben bei sehr hohen Frequenzen Schwierigkeiten aufgrund der Transitzeit und anderer Effekte. Viele Geräte nutzen die negative Leitfähigkeit von Halbleitern für Hochfrequenzanwendungen. Eine Tunnel-Diode, auch bekannt als Esaki-Diode, ist ein häufig verwendetes Gerät mit negativer Leitfähigkeit, benannt nach L. Esaki für seine Arbeiten zur Tunneldurchdringung.

Die Konzentration der Dotierstoffe in beiden p- und n-Bereichen ist sehr hoch, etwa 1024 – 1025 m-3. Die pn-Schicht ist auch abrupt. Aus diesen Gründen ist die Depletionszonenbreite sehr klein. In den Strom-Spannungscharakteristiken der Tunnel-Diode kann man einen Bereich mit negativer Steigung feststellen, wenn eine Vorwärtsverspannung angewendet wird.

Der Name „Tunnel-Diode“ leitet sich davon ab, dass der quantenmechanische Tunnelleffekt für das Phänomen verantwortlich ist, das innerhalb der Diode auftritt. Die Dotierung ist so hoch, dass bei absoluter Nulltemperatur die Fermi-Niveaus innerhalb der Spannung der Halbleiter liegen.

Eigenschaften der Tunnel-Diode

Wenn eine Gegenstromverspannung angewendet wird, wird das Fermi-Niveau der p-Seite höher als das der n-Seite, wodurch Elektronen vom Valenzband der p-Seite zum Leitungsband der n-Seite tunneln. Mit zunehmender Gegenstromverspannung nimmt auch der Tunnelstrom zu.

Bei Anwendung einer Vorwärtsverspannung wird das Fermi-Niveau der n-Seite höher als das der p-Seite, sodass das Tunneln von Elektronen von der n- zur p-Seite stattfindet. Der Betrag des Tunnelstroms ist sehr viel größer als der normale Junctionsstrom. Wenn die Vorwärtsverspannung erhöht wird, nimmt der Tunnelstrom bis zu einem bestimmten Grenzwert zu.

Wenn die Bandkante der n-Seite gleich dem Fermi-Niveau der p-Seite ist, ist der Tunnelstrom maximal. Bei weiterer Erhöhung der Vorwärtsverspannung nimmt der Tunnelstrom ab, und wir erhalten den gewünschten Bereich mit negativer Leitfähigkeit. Wenn die Vorwärtsverspannung weiter erhöht wird, wird ein normaler pn-Junctionsstrom erzielt, der exponentiell proportional zur angelegten Spannung ist. Die Strom-Spannungs-Kennlinie der Tunnel-Diode lautet,

Die negative Widerstand wird genutzt, um Oszillationen zu erzeugen, und oft wird die Ck+-Funktion bei sehr hohen Frequenzen verwendet.

Symbol der Tunnel-Diode

Anwendungen der Tunnel-Diode

• Oszillatorschaltungen

• Verwendung in Mikrowellenschaltungen

• Strahlungsbeständig