隧道二极管

什么是隧道二极管？

隧道二极管又称为江崎二极管，是一种在极低正向电压下具有负电阻的半导体二极管。 由于利用了量子力学隧道，因而它能够极快地发挥功效。它是以隧道效应电流为主要电流分量的晶体二极管。隧道二极管是采用砷化镓（GaAs）和锑化镓（GaSb）等材料混合制成的半导体二极管，其P型区和N型区是高掺杂的（即高浓度杂质的）。隧道电流由这些简并态半导体的量子力学效应所产生。

隧道二极管的原理

隧道二极管是以隧道效应电流为主要电流分量的晶体二极管。隧道效应，是指在两片金属间夹有极薄的绝缘层（厚度大约为1nm（10-6mm），如氧化薄膜），当两端施加势能形成势垒V时，导体中有动能E的部分微粒子在E＜V的条件下，可以从绝缘层一侧通过势垒V而达到另一侧的物理现象。

由重掺杂的p区和n区形成的PN结即隧道结。n型半导体的费米能级进入了导带，p型半导体的费米能级进入了价带，在没有外加电压，处于热平衡状态时，n区和p区的费米能级相等。n区导带底比p区价带顶还低，因此，在n区的导带和p区的价带中出现具有相同能量的量子态。在重掺杂情况下，杂质浓度大，势垒区很薄，由于量子力学的隧道效应，n区导带的电子可能穿过禁带，到p区价带，p区价带电子也可能穿过禁带到n区导带，从而有可能产生隧道电流。随着长度越短，电子穿过隧道的概率越大，隧道电流越显着。

隧道二极管的工作符合发生隧道效应具备的三个条件：

①费米能级位于导带和满带内；
②空间电荷层宽度必须很窄（0.01微米以下）；
③简并半导体P型区和N型区中的空穴和电子在同一能级上有交叠的可能性。

隧道二极管的主要参数

（1）峰点电压Up，约几十毫伏，谷点电压Uv，约几百毫伏
（2）峰点电流Ipi，约几毫安，谷点电流Iv约几百微安
（3）峰谷电流比，约为5-6，越大越好
（4）谷点电容Cv，几微法至几十微法，越小越好，国产2BS4A：Up=80毫伏，Ip=4毫安，峰谷电流比≥5，Cv=10～15微法，Uv=280毫伏。

隧道二极管的伏安特性

隧道二极管的伏安特性，如图（a）所示，是一条S型特性曲线。曲线中最大电流点P，称为峰点；最小电流点V，称为谷点。其电流和电压间的变化关系与一般半导体二极管不同。当某一个极上加正电压时，通过管的电流先将随电压的增加而很快变大，但在电压达到某一值后，忽而变小，小到一定值后又急剧变大；如果所加的电压与前相反，电流则随电压的增加而急剧变大。

隧道二极管的特点

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。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。

隧道二极管的应用

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。