Tunneldiode

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Die Tunneldiode, 1957 entdeckt von dem Japaner Leo Esaki - deshalb auch Esaki-Diode genannt, ist ein Hochfrequenz-Halbleiterbauelement. Sie besteht aus einem p-n-Übergang, bei dem beide Seiten stark dotiert sind. Eine Vielzahl kommerziell genutzter Tunneldioden werden aus einer n-dotierten Ge- oder GaAs-Schicht hergestellt, in die eine kleinere Schicht aus Indium einlegiert wird (auch Indiumpille genannt). Auch Si und GaSb wurden schon zur Herstellung genutzt, allerdings ist es bei Verwendung dieser Materialien schwierig, eine akzeptable Gütezahl (ein großes I_P/I_V Verhältnis) zu erreichen.

Strom- Spannungscharakteristik einer Tunneldiode

Die Dotierung der p- und der n- Seite wird so hoch gewählt, dass sie über den effektiven Zustandsdichten N_v und N_c liegen. Die Zustandsdichten liegen in Bereichen zwischen 10¹⁹ und 10²¹ cm^-3. Somit sind die Halbleitergebiete entartet. Das Ferminiveau liegt im Leitungsband des n-Halbleiters und im Valenzband des p-Halbleiters. Das bedeutet, dass sich mit Elektronen besetzte und unbesetzte Bereiche auf (fast) gleichem Potenzial (Energieniveau) befinden, wodurch der Tunneleffekt eintritt. Wegen der hohen Dotierungen auf beiden Seiten ist die Breite der Sperrschicht W bei Nullvorspannung kleiner als 100 Å. Deswegen erreicht das elektrische Feld in dieser Region Werte von mehr als 10⁶ V/cm. Die allgemeine Formel für die Sperrschichtbreite ist

$W=\sqrt{\frac{2\cdot\varepsilon_H\left(V_D-V\right)\cdot\left(N_A+N_D\right)}{q\cdot\ N_A\cdot\ N_D}}$

In dieser Formel sind ε_H die Permittivität des Halbleiters, V_D die eingebaute und V die angelegte Spannung, q ist die Elementarladung und N_A und N_D Akzeptor und Donator Konzentrationen.

Im Bild ist zu sehen, dass die Diode im Bereich V_P < V < V_V einen negativ differentiellen Widerstand darstellt. Dieser kann an einen angeschlossenen Verbraucher elektrische Energie abgeben. Zum Beispiel kann ein angeschlossener Schwingkreis entdämpft werden.

Tunneldioden können bei sehr hohen Frequenzen als Verstärker (bis zu einigen 10 GHz), Schalter und Oszillatoren (bis zu 100 GHz) benutzt werden. Das liegt an dem trägheitsfreien quantenmechanischen Tunnelprozess, der in der Strom-Spannungs-Charakteristik zu erkennen ist.