Podczas badania mechanizmu rektyfikacji zmiennejprąd w obszarze styku dwóch różnych mediów - półprzewodnika i metalu, postawiono hipotezę, że opiera się on na tzw. efekcie tunelowania nośników ładunku. Jednak w tym czasie (1932 r.) Poziom rozwoju technologii półprzewodnikowych nie pozwolił nam eksperymentalnie potwierdzić przypuszczeń. Dopiero w 1958 roku japoński naukowiec Yesaki był w stanie genialnie to potwierdzić, tworząc pierwszą w historii diodę tunelową. Ze względu na swoje niesamowite właściwości (w szczególności szybkość), urządzenie to zwróciło uwagę specjalistów w różnych dziedzinach techniki. Warto tutaj wyjaśnić, że dioda jest urządzeniem elektronicznym, które jest połączeniem dwóch różnych materiałów o różnych rodzajach przewodnictwa w jednej obudowie. Dlatego prąd elektryczny może przepływać przez nie tylko w jednym kierunku. Zmiana biegunowości prowadzi do „zamknięcia” diody i zwiększenia jej rezystancji. Wzrost napięcia prowadzi do awarii.
Рассмотрим, как работает туннельный диод.Klasyczne urządzenie półprzewodnikowe z prostownikiem wykorzystuje kryształy o ilości zanieczyszczeń nie większej niż 10 do stopnia 17 (-3 stopnia centymetr). A ponieważ ten parametr jest bezpośrednio związany z liczbą bezpłatnych przewoźników, okazuje się, że ten drugi nigdy nie może być większy niż określona granica.
Istnieje wzór, który pozwala określić grubość strefy pośredniej (złącze p-n):
L = ((E * (Uk-U)) / (2 * Pi * q)) * ((Na + Nd) / (Na * Nd)) * 1050000,
gdzie Na i Nd to liczba zjonizowanych akceptorówi odpowiednio dawcy; Pi - 3,1416; q jest wartością ładunku elektronowego; U to dostarczane napięcie; Uk oznacza różnicę potencjałów na odcinku przejściowym; E jest stałą dielektryczną.
Konsekwencją wzoru jest fakt, że forZłącze pn klasycznej diody charakteryzuje się małym natężeniem pola i stosunkowo dużą grubością. Aby elektrony mogły wejść do wolnej strefy, potrzebują dodatkowej energii (dostarczanej z zewnątrz).
Dioda tunelowa wykorzystuje w swojej konstrukcjitakie typy półprzewodników, które zmieniają zawartość zanieczyszczeń do 10 do potęgi 20 (-3 stopnie centymetra), czyli o rząd wielkości inny od klasycznych. Prowadzi to do dramatycznego zmniejszenia grubości przejścia, gwałtownego wzrostu natężenia pola w obszarze pn iw konsekwencji do pojawienia się przejścia tunelowego, gdy elektron nie potrzebuje dodatkowej energii, aby wejść w pasmo walencyjne. Dzieje się tak, ponieważ poziom energii cząstki nie zmienia się, gdy przechodzi przez barierę. Diodę tunelową można łatwo odróżnić od konwencjonalnych diod na podstawie jej charakterystyki prądowo-napięciowej. Efekt ten tworzy na nim rodzaj rozprysku - ujemną wartość oporu różnicowego. Dzięki temu diody tunelowe znajdują szerokie zastosowanie w urządzeniach wysokiej częstotliwości (zmniejszenie grubości szczeliny p-n powoduje, że takie urządzenie działa szybko), precyzyjnych urządzeniach pomiarowych, generatorach i oczywiście w technice komputerowej.
Chociaż prąd efektu tunelowego jest w stanieprzepływ w obu kierunkach, przy bezpośrednim połączeniu diody, wzrasta napięcie w strefie przejściowej, zmniejszając liczbę elektronów zdolnych do tunelowania. Wzrost napięcia prowadzi do całkowitego zaniku prądu tunelowania, a efekt występuje tylko na zwykłym rozproszonym (jak w klasycznych diodach).
Jest też inny przedstawiciel podobnegourządzenia - dioda odwrócona. To ta sama dioda tunelowa, ale ze zmienionymi właściwościami. Różnica polega na tym, że wartość przewodności dla połączenia odwrotnego, w którym konwencjonalny prostownik „zamyka się”, jest wyższa niż dla połączenia bezpośredniego. Pozostałe właściwości odpowiadają diodzie tunelowej: prędkość, niski szum wewnętrzny, zdolność do prostowania elementów przemiennych.
