隧道二极管的基本原理和工作方式简介
发布时间：2022-11-01
来源：罗姆半导体社区 (https://rohm.eefocus.com)
标签：罗姆ROHM二极管
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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
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