Туннельный диод, который в технике часто называют диодом Эсаки, остаётся самым необычным полупроводниковым прибором из когда-либо серийно выпускавшихся. В нём ток управляется не тепловым перебросом носителей через потенциальный барьер, как в обычном выпрямительном диоде, а квантовым туннелированием электронов сквозь запрещённую зону ультратонкого перехода между двумя вырожденными, то есть крайне сильно легированными областями полупроводника. На постоянном токе такой прибор не просто проводит, а демонстрирует участок вольт-амперной характеристики, где рост напряжения уменьшает ток, то есть область отрицательного дифференциального сопротивления. Этот участок позволяет простейшему двухполюснику усиливать и генерировать колебания вплоть до миллиметрового диапазона без единого транзистора, а скорость переключения диода Эсаки измерялась пикосекундами задолго до появления современных комплементарных структур. Разобраться в физике и схемотехнике этого прибора полезно хотя бы потому, что идеи отрицательного сопротивления до сих пор лежат в основе генераторов, смесителей и логики на резонансно-туннельных структурах.
Вырожденный полупроводник и ультратонкий переход
В обычном диоде концентрации примесей составляют порядка 10 в пятнадцатой-семнадцатой степени атомов на кубический сантиметр, обеднённая область тянется на микроны, а ток определяется инжекцией носителей через барьер. В диоде Эсаки легирование доведено до предела растворимости примеси, примерно 10 в девятнадцатой-двадцатой степени, и полупроводник становится вырожденным: уровень Ферми в n-области уходит внутрь зоны проводимости, а в p-области опускается ниже потолка валентной зоны. Свободных состояний в этих хвостах зон при низких температурах попросту нет, и упрощённые формулы равновесного диода перестают работать.
Из-за гигантской плотности заряда ширина обеднённого слоя сжимается до трёх-десяти нанометров, то есть до длины, сравнимой с десятинанометровой волной де Бройля электрона. Вероятность туннелирования экспоненциально растёт при уменьшении толщины барьера, поэтому при таком переходе туннельный ток становится не экзотической поправкой, а основным механизмом проводимости. Электрон с одной стороны барьера видит на другой стороне свободные состояния той же энергии и проходит сквозь запрещённую зону без какого-либо нагрева и без времени запасания, ведь туннелирование не требует накопления заряда в базе, как у биполярного транзистора. Именно отсутствие инерционного накопления носителей объясняет сразу два свойства прибора: предельное быстродействие и высокую внутреннюю частоту, ограниченную почти исключительно паразитной ёмкостью перехода и индуктивностью выводов.
Технологически классические диоды Эсаки изготавливали из германия, арсенида галлия и антимонида галлия вплавлением шарика легированного сплава в пластину либо легированием в процессе эпитаксии. Промышленные серии типа ГИ401 или 1N3716 имели пиковые токи от единиц миллиампер до десятков миллиампер, а отношение пика к впадине держалось в пределах трёх-десяти в зависимости от материала и примесей.
Форма вольт-амперной характеристики и её числа
ВАХ диода Эсаки при прямом смещении выглядит как буква N, повёрнутая набок. При нулевом смещении тока нет, поскольку занятые и свободные состояния по обе стороны перехода занимают одни и те же энергии. По мере роста прямого напряжения разрешённые уровни зоны проводимости n-области начинают совпадать по энергии с пустыми уровнями валентной зоны p-области, и туннельный ток стремительно нарастает до пикового значения. У типичных кремниевых и германиевых приборов пик тока составляет от единиц до нескольких десятков миллиампер при напряжении от пятидесяти до трёхсот пятидесяти милливольт; у конкретно германиевых серий пик лежит ближе к пятидесяти-восьмидесяти милливольтам, у арсенид-галлиевых к двумстам милливольтам и выше.
Дальше происходит парадокс с точки зрения классической схемотехники. По мере дальнейшего роста напряжения совпадение зон по энергии ухудшается, электронам всё труднее найти свободное состояние с той же энергией на противоположной стороне, и ток падает, хотя приложенное напряжение растёт. Это и есть область отрицательного дифференциального сопротивления, простирающаяся обычно от напряжения пика до напряжения впадины порядка трёхсот-пятисот милливольт, где ток минимален и часто в пять-восемь раз меньше пикового. После впадины берёт верх обычный инжекционный ток через переход, и характеристика круто уходит вверх, похожая на ветвь обычного диода.
Отрицательная крутизна характеристики, то есть модуль производной тока по напряжению, и есть источник усиления. У прибора с пиковым током десять миллиампер звено отрицательного сопротивления может давать дифференциальное сопротивление порядка минус тридцати-шестидесяти ом. Если прокачать переменный ток через такую точку покоя, устройство отдаёт энергию источнику смещения во внешнюю цепь вместо того, чтобы её поглощать. Знак "минус" тут не абстракция: приращение напряжения вызывает приращение тока навстречу, и мощность, подводимая по постоянному току, частично преобразуется в мощность переменного сигнала.
Усиление и генерация на отрицательном сопротивлении
Чтобы получить генератор, достаточно подключить диод Эсаки к колебательному контуру и источнику смещения, который удерживает рабочую точку внутри падающего участка ВАХ. Условие возбуждения формулируется предельно просто: абсолютная величина отрицательного сопротивления диода должна быть меньше полного активного сопротивления контура и нагрузки. В этом случае отрицательное сопротивление не просто компенсирует потери, а доминирует над ними, любое случайное флуктуационное отклонение наводит колебание, амплитуда нарастает до тех пор, пока размах колебаний не начинает заходить за границы падающего участка, где средняя отрицательная проводимость уменьшается, и автоколебания стабилизируются по амплитуде.
Классическая схема генератора на диоде Эсаки состоит всего из нескольких деталей: диод, параллельный колебательный контур или отрезок линии, разделительная ёмкость, источник смещения в сотни милливольт с токоограничением и иногда согласующая цепь к волноводу. Рабочая частота такого генератора определяется контуром и легко достигает десятков гигагерц, потому что время установления туннельного тока лежит в субпикосекундной области. Исторически диоды Эсаки позволили строить гетеродины и малошумящие усилители сантиметрового диапазона за годы до того, как полевые транзисторы на арсениде галлия научились давать сравнимые характеристики.
Усилитель на отрицательном сопротивлении строится ещё проще схемотехнически: диод в точке покоя между пиком и впадиной нагружается на цепь с положительным сопротивлением больше модуля отрицательного. Отражения от такого активного двухполюсника содержат больше мощности, чем падает на него, коэффициент отражения по модулю оказывается больше единицы, и через циркулятор входной и усиленный выходной потоки разводятся по разным плечам. Шумовые свойства такого усилителя рекордны, поскольку туннелирование практически не вносит дробового шума инжекции в том виде, как это делают транзисторы с pn-переходами в канале.
Пикосекундное переключение и цифровые применения
Ещё одна область, где диод Эсаки опередил своё время, состоит в быстродействующей импульсной технике. Поскольку в приборе нет запасающей базы и нет рассасывания заряда, переключение из пикового состояния в состояние высоковольтной ветви и обратно занимает десятки и сотни пикосекунд уже у серийных приборов шестидесятых годов. Эта ветвь применений длительное время кормила промышленность стробоскопических осциллографов: именно туннельные диоды стояли в быстрых компараторах и схемах выборки, обеспечивая длительность фронта на уровне десятков пикосекунд, недостижимую тогда для транзисторных схем.
В импульсном режиме основные схемы включения сводятся к двум стабильным состояниям и одному метастабильному: бистабильный триггер с двумя точками пересечения нагрузочной прямой с ВАХ, моностабильный формирователь импульсов фиксированной длительности и автоколебательный ждущий генератор. Порядок выбора рабочей точки при проектировании такого узла обычно следующий:
- выбирают диод с пиковым током выше требуемого тока нагрузки с запасом примерно в два раза;
- строят нагрузочную прямую источника и резистора так, чтобы она пересекала падающий участок ровно в одной рабочей точке для моностабильной схемы или в трёх точках для бистабильной;
- подбирают ёмкость ускоряющего конденсатора и время восстановления так, чтобы длительность фронта не деградировала.
Такие триггеры служили быстрыми дискриминаторами импульсов от детекторов ядерного излучения, делителями частоты и ячейками памяти экспериментальных вычислительных машин начала шестидесятых.
Почему диод Эсаки уступил транзисторам
При столь впечатляющем наборе свойств закономерен вопрос, почему туннельный диод не занял всё электронное пространство. Главная причина структурная: прибор двухполюсный, вход и выход у него совпадают, и изоляция направлений требует дорогих и громоздких циркуляторов. Транзистор же даёт трёхполюсное усиление с естественной развязкой входа и выхода, что резко упрощает каскадирование и проектирование многоступенчатых схем.
Вторая причина технологическая: предельное легирование делает прибор капризным в производстве, разброс напряжений пика и впадины существен, а стабильность параметров при нагреве ограничена, потому что температура смягчает резкость вырожденных зон и снижает отношение пика к впадине. Третья причина схемотехническая: мощность, которую способен отдать низковольтный двухполюсник, невелика, поскольку рабочее напряжение исчисляется сотнями милливольт, поэтому выходные уровни диодных генераторов лежали в области единиц милливатт, тогда как техника быстро захотела ватты. Наконец, кремниевая планарная технология подарила дешёвые массовые микросхемы, и вся цифровая экономика сместилась туда, где планарность и интеграция были главными козырями. Диод Эсаки и не проиграл по физике; он проиграл по системным экономическим метрикам.
Современные ниши и наследие принципа
Зато в нишах, где решают скорость и шум, а не интеграция, туннельный диод не сошёл со сцены. Стробоскопические осциллографы и сэмплеры с временем нарастания в десятки пикосекунд до сих пор цитируют схемотехнику на туннельных диодах, а сами приборы или их гибридные аналоги входят в эталонные формирователи коротких фронтов для метрологии. Малогабаритные автономные генераторы миллиметрового диапазона на резонансно-туннельных структурах продолжают эту линию, поскольку у прямого туннельного прибора нет транзисторного ограничения по частоте через время пролёта и омические контакты.
Научная ветвь развития привела к резонансно-туннельным диодам на гетероструктурах арсенид-галлий-алюминий-галлий и фосфид-индиевых материалов, где двойной барьер формирует квантованные уровни, и отрицательное сопротивление сохраняется до субтерагерцовых частот. Продемонстрированы генерации свыше терагерца в лабораторных образцах и интеграция с планарными антеннами на одном кристалле. Идея диода Эсаки оказалась не тупиком, а первой удачной реализацией общего принципа отрицательного сопротивления, который потом воплотился в диодах Ганна, лавинно-пролётных диодах и синхронизируемых автогенераторах.
Инженерный смысл прибора
Диод Эсаки преподаёт инженеру важный урок: физически необычный элемент может раскрыть свои преимущества только внутри грамотной схемной среды. Сам по себе падающий участок ВАХ бесполезен и даже опасен, поскольку рабочая точка на нём неустойчива без нагрузки с положительным сопротивлением, достаточным для подавления паразитной генерации. Но в руках проектировщика, который умеет ставить рабочую точку, считать добротность контура и согласовывать линии, тот же падающий участок превращается в триггер с пикосекундным фронтом, в малошумящий усилитель циркуляторной схемы и в генератор питанием от доли вольта. Именно эта двойственность делает туннельный диод любимым дидактическим примером во всех курсах СВЧ электроники и уважаемым инструментом в тех лабораториях, где предельная скорость и минимальный шум стоят дороже привычной простоты схемы.