двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, в котором имеется очень узкий потенциальный барьер, препятствующий движению электронов; разновидность полупроводникового диода (См.
Полупроводниковый диод)
. Вид вольтамперной характеристики (ВАХ) Т. д. определяется главным образом квантово-механическим процессом туннелирования (см.
Туннельный эффект)
, благодаря которому электроны проникают сквозь барьер из одной разрешенной области энергии в другую. Изобретение Т. д. впервые убедительно продемонстрировало существование процессов туннелирования в твёрдых телах. Создание Т. д. стало возможно в результате прогресса в полупроводниковой технологии, позволившего создавать полупроводниковые материалы с достаточно строго заданными электронными свойствами. Путём легирования полупроводника большим количеством определённых примесей удалось достичь очень высокой плотности дырок и электронов в р - и n- областях, сохранив при этом резкий переход от одной области к другой (см.
Электронно-дырочный переход)
. Ввиду малой ширины перехода (50-150 Å) и достаточно высокой концентрации легирующей примеси в кристалле, в электрическом токе через Т. д. доминируют туннелирующие электроны. На
рис. 1 приведены упрощённые энергетические диаграммы для таких
р - n - переходов при четырёх различных напряжениях смещения
U. При увеличении напряжения смещения до
U1 межзонный
туннельный ток (
it на
рис. 1, б)
возрастает. Однако при дальнейшем увеличении напряжения (например, до значения U
2,
рис. 1, в) зона проводимости в n-oбласти и валентная зона в р-области расходятся, и ввиду сокращения числа разрешенных уровней энергии для туннельного перехода ток уменьшается - в результате Т. д. переходит в состояние с отрицательным сопротивлением (См.
Отрицательное сопротивление)
. При напряжении, достигшем или превысившем U
3 (
рис. 1, г)
, как и в случае обычного
р - n-перехода, будет доминировать нормальный диффузионный (или тепловой) ток.
Первый Т. д. был изготовлен в 1957 из
Германия; однако вскоре после этого были выявлены др. полупроводниковые материалы, пригодные для получения Т. д.: Si, InSb, GaAs, InAs, PbTe, GaSb, SiC и др. На
рис. 2 приведены ВАХ ряда Т. д. В силу того что Т. д. в некотором интервале напряжений смещения имеют отрицательное дифференциальное сопротивление и обладают очень малой инерционностью, их применяют в качестве активных элементов в высокочастотных усилителях электрических колебаний, генераторах и переключающих устройствах.
Л. Эсаки.
От редакции. Т. д. был предложен в 1957 лауреатом Нобелевской премии Л.
Эсаки, поэтому Т. д. называют также диодом Эсаки
Лит.: Esaki L., New phenomenon in narrow germanium р - n junctions, "Physical Review", 1958, v. 109, № 2; его же, Long journey into tunnelling, "Reviews of modern Physics", 1974, v. 46, № 2.
Рис. 1. Энергетические диаграммы электронно-дырочного перехода туннельного диода при различных напряжениях смещения (О<U1<U2<U3): Efp и Efh - уровни Ферми дырок и электронов; Eg - ширина запрещённой зоны; W - ширина p - n-перехода; е - заряд электрона; it и id - туннельный и диффузионный токи.
Рис. 2. Вольтамперные характеристики (ВАХ) туннельных диодов на основе Ge (1), GaSb (2), Si (3) и GaAs (4): U - напряжение смещения на туннельном диоде; I/Im - отношение тока через диод к току в максимуме ВАХ.