БСЭ БСЭ - Большая Советская Энциклопедия (ТУ)

В. Н. Шредник.

Рис. 2. Энергетический спектр электронов, испускаемых при туннельной эмиссии для разных температур Т и электрических полей Е ; j = 4,5 эв .

Рис. 1. Потенциальная энергия u электрона вблизи поверхности металла ( х — расстояние от поверхности); Е 1— в отсутствии электрического поля; Е 2— в однородном внешнем электрическом поле; Е 3— суммарная потенциальная энергия электрона; Е F — энергия Ферми металла; Х 2— Х 1— ширина потенциального барьера в присутствии поля.

Тунне'льный дио'д,двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, в котором имеется очень узкий потенциальный барьер, препятствующий движению электронов; разновидность полупроводникового диода. 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 U 1 межзонный туннельный ток ( i t 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. 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. 2. Вольтамперные характеристики (ВАХ) туннельных диодов на основе Ge (1), GaSb (2), Si (3) и GaAs (4): U — напряжение смещения на туннельном диоде; I / I m— отношение тока через диод к току в максимуме ВАХ.

Рис. 1. Энергетические диаграммы электронно-дырочного перехода туннельного диода при различных напряжениях смещения (О< U 1< U 2< U 3): E fpи E fh— уровни Ферми дырок и электронов; E g— ширина запрещённой зоны; W — ширина p — n -перехода; е — заряд электрона; i tи i d— туннельный и диффузионный токи.

Тунне'льный эффе'кт,туннелирование, преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при Т. э. неизменной) меньше высоты барьера. Т. э. — явление существенно квантовой природы, невозможное в классической механике; аналогом Т. э. в волновой оптике может служить проникновение световой волны внутрь отражающей среды (на расстояния порядка длины световой волны) в условиях, когда, с точки зрения геометрической оптики, происходит полное внутреннее отражение. Явление Т. э. лежит в основе многих важных процессов в атомной и молекулярной физике, в физике атомного ядра, твёрдого тела и т.д.

Т. э. объясняется в конечном счёте неопределённостей соотношением (см. также Квантовая механика, Корпускулярно-волновой дуализм ) . Классическая частица не может находиться внутри потенциального барьера высоты V, если её энергия Е < V, так как кинетическая энергия частицы р 2/2m = Е — V становится при этом отрицательной, а её импульс р — мнимой величиной ( m — масса частицы). Однако для микрочастицы этот вывод несправедлив: вследствие соотношения неопределённостей фиксация частицы в пространственной области внутри барьера делает неопределённым её импульс. Поэтому имеется отличная от нуля вероятность обнаружить микрочастицу внутри запрещенной, с точки зрения классической механики, области. Соответственно появляется определённая вероятность прохождения частицы сквозь потенциальный барьер, что и отвечает Т. э. Эта вероятность тем больше, чем меньше масса частицы, чем уже потенциальный барьер и чем меньше энергии недостаёт частице, чтобы достичь высоты барьера (то есть чем меньше разность V — E ) . Вероятность прохождения сквозь барьер представляет собой главный фактор, определяющий физические характеристики Т. э. В случае одномерного потенциального барьера такой характеристикой служит коэффициент прозрачности барьера, равный отношению потока прошедших сквозь него частиц к падающему на барьер потоку. В случае трёхмерного потенциального барьера, ограничивающего замкнутую область пространства с пониженной потенциальной энергией ( потенциальную яму ) , Т. э. характеризуется вероятностью w выхода частицы из этой области в единицу времени; величина w равна произведению частоты колебаний частицы внутри потенциальной ямы на вероятность прохождения сквозь барьер. Возможность «просачивания» наружу частицы, первоначально находившейся в потенциальной яме, приводит к тому, что соответствующие уровни энергии частиц приобретают конечную ширину порядка hw ( h — постоянная Планка), а сами эти состояния становятся квазистационарными.