Дзіўны паўправадніковы прыбор - тунэльны дыёд

Пры вывучэнні механізму выпроствання пераменнага току на ўчастку сутыкнення двух розных асяроддзяў - паўправадніка і металу, была вылучана гіпотэза, што ў яго аснове ляжыць так званы тунэльны эфект носьбітаў зарада. Аднак на той момант (1932 г.) ўзровень развіцця паўправадніковых тэхналогій не дазволіў пацвердзіць здагадку дасведчаным шляхам. Толькі ў 1958 годзе японскі навуковец Есаки здолеў бліскуча яе пацвердзіць, стварыўшы першы ў гісторыі тунэльны дыёд. Дзякуючы яго дзіўным якасцях (у прыватнасці, хуткадзейнасці), дадзены прыбор прыцягнуў увагу спецыялістаў розных тэхнічных абласцей. Тут варта патлумачыць, што дыёд - гэта электронны прыбор, які ўяўляе сабой аб'яднанне ў адзіным корпусе двух розных матэрыялаў, якія валодаюць рознымі тыпамі праводнасці. Таму электрычны ток можа праходзіць па ім толькі ў адным кірунку. Змена палярнасці прыводзіць да «закрыцця» дыёда і росту яго супраціву. Павелічэнне напружання прыводзіць да «спробаю».

Разгледзім, як працуе тунэльны дыёд. Класічны выпроствальны паўправадніковы прыбор выкарыстоўвае крышталі з колькасцю прымешак не больш за 10 у ступені 17 (-3 ступень сантыметра). А так як дадзены параметр непасрэдна звязаны з лікам свабодных носьбітаў зараду, то атрымліваецца, што апошніх ніколі не можа быць больш названай мяжы.

Існуе формула, якая дазваляе вызначыць таўшчыню прамежкавай зоны (пераходу pn):

L = ((E * (Uk-U)) / (2 * Pi * q)) * ((Na + Nd) / (Na * Nd)) * 1050000,

дзе Na і Nd - колькасць ионизованных акцэптараў і донараў адпаведна; Pi - 3.1416; q - значэнне зарада электрона; U - падвядзенне напружанне; Uk - рознасць патэнцыялаў на ўчастку пераходу; E - значэнне дыэлектрычнай пранікальнасці.

Следствам з формулы з'яўляецца той факт, што для pn пераходу класічнага дыёда характэрныя нізкая напружанасць поля і адносна вялікая таўшчыня. Каб электроны маглі патрапіць у свабодную зону, ім патрабуецца дадатковая энергія (якая паведамляе звонку).

Тунэльны дыёд выкарыстоўвае ў сваёй канструкцыі такія віды паўправаднікоў, якія змяняюць ўтрыманне прымешак да 10 у ступені 20 (-3 ступень сантыметра), што на парадак адрозніваецца ад класічных. Гэта прыводзіць да кардынальнага памяншэння таўшчыні пераходу, рэзкага павышэння напружанасці поля ў галіне pn вобласці і, як следства, узнікненню тунэльнага пераходу, калі электронных для траплення ў валентную зону не патрэбна дадатковая энергія. Гэта адбываецца таму што энергетычны ўзровень часціцы не змяняецца пры праходжанні бар'ера. Тунэльны дыёд лёгка адрозніць ад звычайных па яго вольт-ампернай характарыстыцы. Паказаны эфект стварае на ёй своеасаблівы ўсплёск - адмоўнае значэнне дыферэнцыяльнага супраціву. Дзякуючы гэтаму тунэльныя дыёды атрымалі шырокае распаўсюджванне ў высокачашчынных прыладах (памяншэнне таўшчыні pn прамежку робіць такі прыбор хуткадзейным), дакладнай вымяральнай апаратуры, генератарах і, вядома ж, вылічальнай тэхніцы.

Хоць ток пры тунэльны эфект здольны працякаць ў абодвух напрамках, пры прамым падключэнні дыёда напружанасць у зоне пераходу ўзрастае, памяншаючы колькасць электронаў, здольных на тунэльных праходжанне. Павелічэнне напружання прыводзіць да поўнага знікнення тунэльнага току і ўздзеянне аказваецца толькі на звычайны дыфузны (як у класічных дыёдах).

Таксама існуе яшчэ адзін прадстаўнік падобных прыбораў - звернуты дыёд. Ён уяўляе сабой той жа тунэльны дыёд, але з змененымі ўласцівасцямі. Адрозненне ў тым, што значэнне праводнасці пры зваротным падключэнні, у якім звычайны выпростваць прыбор «зачыняецца», у яго вышэй, чым пры прамым. Астатнія ўласцівасці адпавядаюць тунэльных дыёду: хуткадзейнасць, малыя ўласныя шумы, здольнасць выпростваць зменныя складнікі.