Туннельные диоды - уникальные полупроводниковые приборы, обладающие эффектом отрицательного дифференциального сопротивления. Это явление возникает благодаря туннелированию электронов сквозь узкий p-n переход. Изобретателем туннельного диода стал японский ученый Лео Эсаки, удостоенный за это Нобелевской премии по физике в 1973 году.
Предпосылки создания туннельного диода
История туннельного диода берет свое начало в 1920-х годах с экспериментов российского физика Олега Лосева с кристадинами . Это особые диоды на основе кристаллического цинка, проявляющие нелинейные свойства. В них тоже наблюдался эффект отрицательного сопротивления, но неустойчивый.
В 1958 году группой японских инженеров во главе с Лео Эсаки были созданы первые туннельные диоды на основе германия с управляемым эффектом отрицательного сопротивления. Это открытие позволило использовать их в различных электронных устройствах.
Кто из нобелиатов создал туннельный диод
Лео Эсаки родился в 1925 году в Осаке, Япония. После окончания Токийского технологического института в 1948 году он поступил на работу в компанию Tokyo Tsushin Kogyo, ныне известную как Sony. Там молодой инженер занимался исследованиями полупроводниковых материалов.
В августе 1957 года вместе с коллегами Юрико Куросе и Такаши Судзуки Лео Эсаки создал первый в мире туннельный диод.
За это выдающееся достижение в области твердотельной электроники Эсаки был удостоен Нобелевской премии по физике 1973 года совместно с Брайаном Джозефсоном.
Принцип работы туннельных диодов
Туннельные диоды обладают специфической конструкцией. Их p-n переход сильно легирован примесями и имеет очень малую толщину порядка 10 нм. Из-за этого резко снижается напряжение лавинного пробоя диода, иногда до нуля.
При подаче небольшого прямого напряжения происходит туннелирование электронов сквозь узкий потенциальный барьер p-n перехода за счет их волновых свойств. Но по мере дальнейшего увеличения напряжения вероятность такого туннельного перехода падает, что и создает эффект отрицательного дифференциального сопротивления.
Этот участок вольт-амперной характеристики называют "горбом Эсаки". Именно он позволяет использовать туннельные диоды в различных электронных схемах.
Применение туннельных диодов
Благодаря эффекту отрицательного сопротивления туннельные диоды Эсаки широко использовались как генераторы электрических колебаний в СВЧ диапазоне. Некоторые области применения:
- Гетеродины для телевизионных тюнеров
- Высокочастотные триггеры
- Генераторы импульсов для осциллографов
- СВЧ усилители
По сравнению с ламповыми тетродами туннельные диоды могут работать на частотах до 100 ГГц. Однако их выходная мощность невелика из-за малого диапазона рабочих напряжений.
Туннельные и обращенные диоды
Помимо классических туннельных диодов существует разновидность обращенных диодов . Они отличаются еще более сильным легированием p-n перехода, из-за чего напряжение лавинного пробоя падает практически до нуля.
| Туннельный диод | Обращенный диод |
| Напряжение пробоя ненулевое | Напряжение пробоя близко к нулю |
| Эффект отрицательного сопротивления неустойчив | Эффект отрицательного сопротивления стабилен |
Благодаря таким свойствам обращенные диоды используются в высокочастотных выпрямителях, детекторах и переключателях. Их параметры менее подвержены дрейфу со временем.
Разработка туннельного диода в компании Sony
После успешных экспериментов Лео Эсаки с туннельным диодом в 1957 году, руководство Sony приняло решение о налаживании серийного производства этого прибора. Уже к 1960 году туннельные диоды Эсаки выпускались промышленными партиями и активно применялись в электронной аппаратуре.
Кто создал туннельный диод - заслуга в этом целиком принадлежит японскому инженеру Лео Эсаки и его коллегам из Sony. Их открытие позволило совершить революцию в твердотельной СВЧ электронике благодаря уникальным свойствам туннельного диода.
Развитие туннельной электроники
Со временем на смену первым туннельным диодам Эсаки пришли более совершенные конструкции, лишенные недостатков оригинального устройства. К ним относятся:
- Резонансно-туннельные диоды (RTD)
- Диоды с двойным туннельным барьером
- MIIM-структуры (металл-изолятор-изолятор-металл)
Они позволяют получить более стабильный отрицательный дифференциальный эффект при большей выходной мощности. Кто создал первый в мире туннельный диод - Лео Эсаки, но его изобретение породило целое научное направление в физике твердого тела.
Применение обращенных диодов
Обращенный диод по сути является разновидностью туннельного диода, в котором p-n переход сильно легирован примесями. Из-за этого падает напряжение лавинного пробоя диода практически до нуля.
Благодаря таким свойствам обращенные диоды нашли широкое применение в следующих областях электроники:
- Высокочастотные выпрямители
- Детекторы СВЧ сигналов
- Быстродействующие переключатели
Преимуществом обращенных диодов является стабильность параметров со временем, что важно для радиоэлектронной аппаратуры длительного использования.
Кто усовершенствовал туннельный диод
Первоначальная конструкция туннельного диода, разработанная кто создал - Лео Эсаки, имела ряд недостатков, ограничивавших область применения. Дальнейшие исследования позволили создать новые разновидности туннельных диодов - резонансные и с двойным барьером.
Большой вклад в усовершенствование туннельных диодов внесли ученые:
- Рюдигер Квон (Германия)
- Марк Рид (Великобритания)
- Кто нобелиатов создал - Жорес Алферов (Россия), лауреат Нобелевской премии по физике
Их исследования заложили фундамент для практических применений эффекта туннелирования в нано- и оптоэлектронике будущего.
Проблема старения туннельных диодов
Одним из недостатков туннельных диодов является их склонность к старению со временем. Под воздействием температуры и эксплуатационных факторов меняется легирование p-n перехода, что ведет к дрейфу параметров диода.
Из-за старения туннельные диоды часто теряют заданные характеристики, превращаясь в обычные или даже обращенные диоды. Это может нарушить работу радиоаппаратуры, в которой они используются.
Способы борьбы со старением туннельных диодов
Чтобы минимизировать влияние старения, применяют следующие методы:
- Использование более стабильных материалов (GaAs вместо Ge)
- Легирование p-n перехода инертными примесями
- Применение защитных покрытий диодов
- Контроль температурных и электрических режимов эксплуатации
Благодаря усовершенствованию технологии производства современные туннельные диоды значительно меньше подвержены старению и сохраняют стабильность параметров на протяжении длительного времени.
Перспективы применения туннельных диодов
Несмотря на конкуренцию с другими полупроводниковыми приборами, туннельные диоды не утратили актуальности. Они находят все большее применение в следующих областях:
- Высокочастотные генераторы и усилители
- Быстродействующие переключатели и логические элементы
- Детекторы излучения высокого энергетического спектра
- Элементы квантовых и оптических компьютеров
Дальнейшее развитие нанотехнологий открывает перед туннельными диодами новые области применения, о которых не мог мечтать их создатель Лео Эсаки.
Выводы
Подводя итог, отметим выдающийся вклад японского инженера Лео Эсаки в развитие физики твердого тела. Его открытие явления туннелирования электронов сквозь узкие барьеры привело к созданию принципиально нового типа диодов.
Туннельные диоды Эсаки и их последующие модификации открыли путь к созданию высокочастотной твердотельной электроники. А в будущем они могут найти еще более широкое применение в скоростных цифровых устройствах и элементах квантовых компьютеров.
