Incroyable dispositif à semi-conducteurs - diode tunnel

En étudiant le mécanisme de rectification d'une variablecourant dans la zone de contact de deux médias différents - un semi-conducteur et un métal, une hypothèse a été avancée qu'il est basé sur l'effet dit tunnel des porteurs de charge. Cependant, à cette époque (1932), le niveau de développement des technologies des semi-conducteurs ne nous permettait pas de confirmer l'hypothèse par l'expérience. Ce n'est qu'en 1958 que le scientifique japonais Esaki réussit à le confirmer avec brio en créant la toute première diode tunnel. En raison de ses qualités étonnantes (en particulier, la vitesse), cet appareil a attiré l'attention de spécialistes de différents domaines techniques. Ici, il convient d'expliquer qu'une diode est un dispositif électronique, qui est une combinaison de deux matériaux différents dans un seul cas avec différents types de conductivité. Par conséquent, le courant électrique peut le traverser dans une seule direction. L'inversion de polarité conduit à une "fermeture" de la diode et à une augmentation de sa résistance. L'augmentation de la tension entraîne une "panne".

Considérez comment fonctionne la diode tunnel. Le dispositif à semi-conducteur rectificateur classique utilise des cristaux avec une quantité d'impuretés n'excédant pas 10 à la puissance de 17 (-3 centimètres). Et puisque ce paramètre est directement lié au nombre de porteurs de charge libres, il s'avère que ce dernier ne peut jamais être supérieur à la limite spécifiée.

Il existe une formule qui permet de déterminer l'épaisseur de la zone intermédiaire (transition p-n):

L = ((E * (Uk-U)) / (2 * Pi * q)) * ((Na + Nd) / (Na * Nd)) *

où Na et Nd sont le nombre d'accepteurs ioniséset les donateurs, respectivement; Pi-3.1416; q est la valeur de la charge d'électrons; U est la tension d'entrée; Uk est la différence de potentiel à la section de transition; E est la valeur de la constante diélectrique.

La conséquence de la formule est le fait que pourLa jonction p-n de la diode classique est caractérisée par une faible intensité de champ et une épaisseur relativement importante. Pour que les électrons puissent pénétrer dans la zone libre, ils ont besoin d'énergie supplémentaire (communiquée de l'extérieur).

La diode tunnel utilise dans sa constructionces types de semi-conducteurs, qui changent la teneur en impuretés à 10 à la puissance de 20 (-3 centimètres), ce qui est un ordre de grandeur différent des classiques. Ceci conduit à une réduction drastique de l'épaisseur de la transition, une forte augmentation du champ dans la région de la région p-n et, par conséquent, l'apparition d'une jonction tunnel lorsque l'électron n'a pas besoin d'énergie supplémentaire pour entrer dans la bande de valence. C'est parce que le niveau d'énergie de la particule ne change pas à mesure que la barrière passe. La diode tunnel peut être facilement distinguée des diodes conventionnelles par sa caractéristique courant-tension. Cet effet crée une sorte d'éclaboussure - une valeur négative de la résistance différentielle. Pour cette raison, les diodes tunnel sont largement utilisées dans les dispositifs à haute fréquence (une diminution de l'épaisseur de l'espace p-n rend un tel dispositif à haute vitesse), un équipement de mesure précis, des générateurs et, bien sûr, la technologie informatique.

Bien que le courant dans l'effet tunnel soit capable deflux dans les deux sens, avec une connexion directe de la diode, l'intensité dans la zone de transition augmente, ce qui diminue le nombre d'électrons capables de tunnel. Une augmentation de tension conduit à la disparition complète du courant tunnel et l'effet est seulement sur la diffusion ordinaire (comme dans les diodes classiques).

Il y a aussi un autre représentant dedispositifs - la diode inversée. C'est la même diode tunnel, mais avec des propriétés modifiées. La différence est que la valeur de la conduction à la connexion inverse, dans laquelle le dispositif de redressement ordinaire "se ferme", il a plus élevé que le direct. Les propriétés restantes correspondent à la diode tunnel: vitesse, faible bruit intrinsèque, capacité à redresser les composants variables.