江崎二极管

可以高速切换的半导体

江崎二极管，又称隧道二极管、穿隧效应二极管、穿隧二极管、透纳二极管，是一种可以高速切换的半导体，其切换速度可到达微波频率的范围，其原理是利用量子穿隧效应。它是以隧道效应电流为主要电流分量的晶体二极管。江崎二极管是采用砷化镓（GaAs）和锑化镓（GaSb）等材料混合制成的半导体二极管，其优点是开关特性好，速度快、工作频率高；缺点是热稳定性较差。一般应用于某些开关电路或高频振荡等电路中。

简介

隧道二极管是江崎玲于奈1958年8月时发明的，当时他在东京通讯工业株式会社（索尼）。1973年时江崎玲于奈和布赖恩·约瑟夫森因为发现上述半导体中的量子穿隧效应而获得诺贝尔物理奖。罗伯特·诺伊斯在为威廉·肖克利工作时也有有关隧道二极管的想法，但没有继续进行研究。

此种二极管是由高掺杂的PN接面所形成(空乏区通常只有10奈米宽)，常用的材料包括锗、砷化镓等窄能隙的材料，由于高掺杂会产生晶格的破坏，使得能隙间的缺陷变多，加上窄能隙材料缩小量子穿隧的障碍，所以能够增加量子穿隧的电流。隧道二极管常用于频率转换器和侦测器上，由于隧道二极管的负微分电阻的特性，其也可应用于振荡器、放大器以及开关电路的迟滞。

江崎二极管的工作符合发生隧道效应具备的三个条件：

（1）费米能级位于导带和满带内；

（2）空间电荷层宽度必须很窄（0.01微米以下）；

（3）简并半导体P型区和N型区中的空穴和电子在同一能级上有交叠的可能性。

江崎二极管为双端子有源器件粒子通过一个势能大于总能量的有限区域。这是一种量子力学现象，按照经典力学是不可能出现的。江崎二极管可以被应用于低噪声高频放大器及高频振荡器中（其工作频率可达毫米波段），也可以被应用于高速开关电路中。

隧道过程的定性分析

江崎二极管PN结两侧均为掺杂浓度高达的简并半导体。二极管的伏安特性曲线如下图1所示，利用简并半导体PN结的能带图可定性说明江崎二极管的特性。

由于PN结两侧高掺杂，费米能级都进入各自能带中，平衡时具有统一费米能级，则江崎二极管PN结的势垒区能带倾斜比普通PN结更为严重，势垒区厚度较薄，平衡时能带如下图2（a）所示，由于费米能级以上为空态，费米能级以下状态都被电子填满，则此时没有隧道电流。只有在外加电压作用下，P区和N区的费米能级发生移动，载流子发生运动才有可能形成电流。图2（b）为PN结反偏时能带图。反偏使P区费米能级相对N区费米能级向上移动，使P区EFP以下一部分电子态与N区EFN以上部分空态处于相同能量水平，则有P区的电子通过势垒“隧道”穿越到N区，形成反向隧道电流。对应于图1中1点。

图2（c）~（g）为PN结正向偏置时的能带图。随着正向偏压增加，EFN相对于EFP向上移动，对应于图2（c），EFN以下部分电子与EFP以上部分空态处于相同能量，则有N区电子穿过隧道到达P区形成正向隧道电流，对应于图1中2点。正向偏压增加，EFN相对于EFP向上移动，N区导带电子态与P区价带空态重叠更多，正向隧道电流增大，当能带重叠最多时，穿过隧道的载流子数达到摄大，正向隧道电流达到极大值，对应于图2（d）和图1中3点。正向电压进一步增加，相对EFP，EFN更往上移，但N区电子态与P区空态重叠部分逐渐减小，穿过隧道的N区电子数减小，正向隧道电流减小，对应图2（e）和图1中4点。当正向偏压增加使EFN向上移到N区的电子态与P区空态不发生重叠时，正向隧道电流降到最小值，对应图2（f）和图1中5点。当正向电压进一步增大时，则出现正常的PN结注入电流，其随外加电压指数增加，对应于图2（g）和图1中6点。

可见江崎二极管伏安特性曲线有两个正斜率区和一个负斜率区。从3点到5点范围，随正向电压增加，电流减小，出现负阻特性。在一定的电流范围内，电压是电流的多值函数。

符号

江崎二极管的电气符号如图3所示：

特点及应用

江崎二极管的主要特点是它的正向电流—电压特性具有负阻（见图4）。这种负阻是基于电子的量子力学隧道效应，所以江崎二极管开关速度达皮秒量级，工作频率高达100吉赫。江崎二极管还具有小功耗和低噪声等特点。江崎二极管可用于微波混频、检波（这时应适当减轻掺杂，制成反向二极管），低噪声放大、振荡等。由于功耗小，所以适用于卫星微波设备。还可用于超高速开关逻辑电路、触发器和存储电路等。

研究不同半导体材料制成的江崎二极管的基本特性，还能深入了解半导体中的能带结构和一些与量子力学有关的物理问题。

量子隧穿效应

在量子力学里，量子隧穿效应（Quantum tunnelling effect）指的是，像电子等微观粒子能够穿入或穿越位势垒的量子行为，尽管位势垒的高度大于粒子的总能量。在经典力学里，这是不可能发生的，但使用量子力学理论却可以给出合理解释。

量子隧穿效应是太阳核聚变所倚赖的机制。量子隧穿效应限制了太阳燃烧的速率，是太阳聚变循环的瓶颈，因此维持太阳的长久寿命。许多现代器件的运作都倚赖这效应，例如，隧道二极管、场致发射、约瑟夫森结、磁隧道结等等。扫描隧道显微镜、原子钟也应用到量子隧穿效应。量子隧穿理论也被应用在半导体物理学、超导体物理学等其它领域。

至2017年为止，由于对于量子隧穿效应在半导体、超导体等领域的研究或应用，已有5位物理学者获得诺贝尔物理学奖。

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