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保险职业学院学报和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传奇故事2011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uiccn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家园通信息平台－100
V资管软件开发V（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（Tunnel Diode)的原理及检测方法

隧道二极管TD（Tunnel Diode)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。
实华开
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.