Теоретическое изучение степени легирования p- и n-областей туннельного диода показало его сильное влияние на вольтамперную характеристику туннельного диода. Это влияние может быть показано на примере германиевых тун­нельных диодов, приняв во внимание, что концентрация примесей в p-области диода превосходит концентрацию приме­сей в n-области.

При увеличении концентрации доноров в n-области изме­нение вольтамперной характеристики туннельного диода луч­ше всего проследить на анализе зонной диаграммы, используя рис. 6, где представлен случай одинакового легирования p- и n-областей диода. Легко заметить, что ток максимума харак­теристики диода будет увеличиваться при почти неизменном напряжении u1, соответствующем этому току, так как ток в прямом направлении определяется туннельным переходом электронов проводимости n-области, число которых возраста­ет при увеличении концентрации доноров. Соответствующие этому случаю вольтамперные характеристики

Несколько иная картина получается при увеличении степе­ни легирования p-области. При этом будет возрастать не только ток максимума, но и напряжение u1 (рис. 10,6), что потребуется для компенсации возросшего обратного потока носителей, определяемого туннельным переходом валентных электронов дырочной области. Экспериментальные данные, совпадающие с теорией, свидетельствуют о том. что глав­ное влияние на характер зависимости тока максимума от сте­пени легирования материала оказывает изменение вероятно­сти туннелирования электронов сквозь барьер. Эта вероятность зависит от толщины барьера (p-n-перехода) и, следовательно, от приведенной концентрации основных носителей пp/(п+p). С возрастанием концентрации доноров или акцепторов шири­на перехода уменьшается, что повышает вероятность туннелирования и приводит к росту тока через переход. Интересно отметить, что туннельные диоды на основе германия p-типа могут быть изготовлены со значительно большим отношением

I1/С чем у диодов на основе германия n-типа, так как у пер­вых возможна большая концентрация акцепторов в рекристаллизованной области.

Из сказанного выше видно, что величина напряжения u1 почти не зависит от концентрации примесей в n-области и рас­тет с увеличением концентрации примесей в p-области. Напря­жение u2, соответствующее минимуму тока, увеличивается с ростом степени легирования как p-, так и n-области.

Что касается температурной зависимости туннельного то­ка, то, как мы видели в параграфе, она определяется сте­пенью вырождения p- и n-областей туннельного диода.

Величина отрицательного сопротивления в зависимости от концентрации доноров и акцепторов различается как по абсолютной величине, так и по характеру своего изменения от напряжения. Минимальная величина отрицательного сопротивления при данной площади перехода определяется максималь­ной растворимостью примесей в полупроводнике, т. е. максимальным значением приведенной концентрации пр/{п+р). Так как емкость p-n-перехода также определяется значением приведенной концентрации (для данной площади), то постоянная времени R С не зависит от площади перехода, а будет почти экспоненциально расти с концентрацией примесей.

Интересно отметить, что отношение I1/С также не зависит от площади перехода и определяется значением приведенной концентрации, по величине которой для различных материалов можно судить о их пригодности для изготовления туннельных диодов. Выше уже было показано, что диоды на ос­нове германия p-типа обладают лучшим отношением I1/C, чем диоды из германия n-типа. У туннельных диодов из арсенида галлия это отношение наибольшее и может составлять 10−15 ма/пф (табл. 1).

Таким образом, степень легирования материала прямо или косвенно определяет все основные параметры туннельного дио­да, поэтому невозможно одновременно получить оптимальными с точки зрения разнообразных радиотехнических примесей все параметры прибора. Эта трудность может быть устранена индивидуальным выбором материала и степени его легиро­вания, обеспечивающей получение требуемых параметров для каждой специфической области применения диодов.

Таблица 1

Основные параметры полупроводниковых материалов и туннельных диодов, изготовленных из них

* Температура, при которой исчезает участок отрицательного сопро­тивления.

Свойства туннельного диода зависят не только от степени концентрации примесей, но и от типа самого материала. Вероятность туннельного эффек­та возрастет с уменьшением ширины запрещенной зоны Eg и эффективной массы m*. Поэтому для туннельных диодов же­лателен материал с малыми значениями Eg и m*. Но, с дру­гой стороны, температурный диапазон работы туннельного диода пропорционален ширине запрещенной зоны исходного материала. Следовательно, нужен материал с широкой запре­щенной зоной. Разрешить эти два противоречивых требования можно компромиссным путем: выбрать материал с малой ве­личиной m и большой шириной запрещенной зоны. Сравни­тельные данные по величинам Eg и m* для применяемых при изготовлении туннельных диодов материалов приведены в табл.1.

Из сопоставления значений Eg и m* видно, что лучшим материалом для изготовления туннельных диодов служит арсенид галлия. Это же подтверждают и лучшие параметры, ко­торыми обладают туннельные диоды, полученные на основе этого материала.

Следует отметить, что наилучшими высококачественными свойствами обладают туннельные диоды, изготовленные из антимонида индия. Но из-за малой ширины запрещенной зоны они не обладают туннельными свойствами даже при комнат­ной температуре и требуют для своей нормальной работы низ­ких температур (температуры жидкого азота).