奇妙的隧道二极管

近年来半导体器件制造技术发展很快，其中最引人注意的要算“隧道二极管”。这是由于“隧道二极管”有优异的特性，因而将在电子电路中占有重要的地位。目前许多国家都在大力研究、试制和把它应用到各种电子电路中。这里向大家介绍有关隧道二极管的基本概念、主要特性和一些应用知识。

一个普通的二极管，若在它的阴极和屏极接上直流电源，并串接一个灵敏的电流表（图1）可以发现有微弱的电流通过。物理学上早就发现了这个现象，这是什么原因呢？

大家知道，在室温下金属的表面就存在有自由电子，它们可能从金属中“蒸发”出来，在金属外面形成“电子云”。如果没有外电场的作用，这层电子云积到一定密度后，形成的电场就会阻止电子的继续“蒸发”，趋于动态平衡的状态。若是屏极和阴极间加一适当强的电场，则被“蒸发”的电子就沿着一个恒定的方向运动，最后落到屏极上。电源的负极不断向阴极补充自由电子，电子又不断从金属“蒸发”出去，于是在外电路上就形成了电流。这种现象称为“冷发射”。

“冷发射”是怎样产生的呢？要明了这个问题得首先弄清电子是怎样从金属中蒸发出去的。在一定温度下，金属中有一些具有很大能量的自由电子，这些电子能够克服金属内部由原子的吸引力而形成的阻挡电子的“势垒”，而飞逸出去。电子克服这种“势垒”阻挡而飞出所需作的功，称为“逸出功”。如果增强外部电场（如在屏极和阴极间所加的），则能使金属电子的逸出功减小，使电子飞出的可能性增大，飞出的电子增多。因之，外部电路中形成的电流，随外加电压的升高而增加。当电压高到能使电场与金属内部原子的“势垒”抵消时，逸出功就趋近于零。这时，冷发射电流就可达到最大值。根据古典的电子理论计算，若用一个钨阴极，使阴极与屏极间距离为1厘米，要“冷发射”电流达到最大值时，加上的电压应为200,000,000伏！假如把屏极、阴极间的距离缩小，譬如小到1微米（即万分之一厘米）时，电压仍需要20,000伏！果真是这样的话，要利用“冷发射”作任何实际应用都是不可能的。然而实验证明，用钨阴极时，屏、阴极距离为1微米时，极间电压只要到100伏，电路中就能得到足够大的电流了。为什么理论的计算与实验竟有这样大的差别呢？

上面所讲的理论和实验间的显著差别，说明古典电子理论有一定的局限性，这些由实验所发现的新现象，只能利用量子力学的新概念才能解释。

根据古典电子理论，金属中的自由电子要飞出表面时，必须克服“势垒”的阻碍，这种“势垒”就好象横在电子前进途中的一座大山。电子要消耗一定的功（逸出功）才能翻过这座大山而向屏极运动。但是近代量子力学的理论指出，电子并不一定要翻过这座高山，它们在一定的条件下，有一定的机会以极小的能量从这座山的底部穿过去（如图2），好像火车穿过山的隧道一样。这种效应称为“隧道效应”。由于有“隧道效应”的存在，所以“冷发射”所需要的电压就不需要那样高了。

科学家们进一步发现，“隧道效应”不仅金属有，而具有特殊内部结构的半导体也有。利用半导体中的隧道效应制成的一种新型半导体器件，就是“隧道二极管”。

隧道二极管与普通的半导体二极管一样，也是由两种不同导电性质的半导体（p型和n型）接触构成一个p—n结。不过二者的p—n结性质有所不同。隧道二极管的主要特点，也正是由这个p—n结而决定。隧道二极管的p—n结，有两大特点：第一是结的厚度特别小，只有100埃（相当于1／100微米），也就是只有普通半导体二极管p—n结的百分之一厚。第二是p和n型两种半导体材料的杂质浓度特别大，每立方厘米达到l019个，而普通半导体杂质浓度大约每立方厘米是1014—1015个，即前者浓度比后者约大一万倍到十万倍。由于杂质浓度大和结的厚度小，所以在结的两边，杂质原的分布不可能是缓变的，而只能是突变的，因此形成很强的结电场。在这种强电场的影响下，n型半导体中就可能有一部份电子有一定的机会穿过势垒跑到p区去，也就是产生了“隧道效应”，而在加有不大的外电压时，便形成数值较大的电流。隧道二极管就是根据这个原理制成的。

图3表示隧道二极管的几种构造，有时考虑到制造与使用的需要，常将隧道二极管与其使用的线路中的其他元件等结合成一体，尤其在微波技术中使用时，这种结构是常见的。

由于隧道效应的存在，使隧道二极管的特性与普遍半导体二极管显著不同。图4中实线为隧道二极管的特性曲线，虚线是作比较的普通半导体二极管的特性曲线，二者的主要区别是前者存在“负阻效应”区。如图4中从0到U\(_{1}\)一段，隧道二极管的电流随偏压的升高而迅速增加；在U2到U\(_{3}\)一段电流变化也按类似的规律，与普通二极管几乎重合。从0到U1这一段中所加偏压是不大的，但电流却比普通二极管大得多，这主要是存在“隧道效应”的关系。在U\(_{1}\)—U2一段，偏压升高，电流反而减小，这就是所调的“负电阻”区。负电阻区的存在是由于电压大到一定值后（如U\(_{1}\)以上）时，隧道效应将逐渐减弱，而到U2时，则完全消失。这也是曲线逐渐与普通二极管重合的原因。“负电阻”区的存在，是隧道二极管的主要特点之一。正由于这个特点使得隧道二极管有各种不同于普通二极管的用途（例如放大、振荡等）。从特性曲线上还可以看到，在反向偏压下，普通二极管几乎是不导电的。而隧道二极管电流却很大，因之隧道二极管一般不能作整流用。

隧道二极管在无线电技术应用中，主要有下述一些优点：

（1）工作频率很高，可达几千兆赫到几万兆赫（即厘米波与毫米波段）；

（2）体积极小，重量很轻，制造成本低；

（3）消耗功率很低；

（4）能在较高温度下工作，受温度变化及周围环境条件影响小，噪声较低，可靠性高。

首先，利用隧道二极管特性曲线“负电阻”区，可以制作高频微波振荡器（如图5），高放大系数和低噪声的放大器，混频器及检波器等。

其次是利用隧道二极管，可组成双稳态电路，作电子计算机和自动控制设备的开关元件和逻辑元件。如图6a所示，由隧道二极管的特性曲线看，若使负载线与曲线相交于a、b、c三点，那么，a和c点是稳定工作点， b是不稳定点。给二极管加偏压Va使之处于状态A，加一正脉冲后它便由状态A变到状态B，再加一负脉冲后又回复到状态A（见图6b、c）。这种变化相当于电路的由“开”到“关”，和由“关”到“开”的状态。图6d是开关电路的原理图。这种应用的特点是开关速度特别高，可达0.5毫微秒。所需的触发脉冲极小，接线简单。

尽管目前在隧道二极管的研究方面，已经有了不少发展，但也还有不少问题待进一步解决。例如进一步降低负电阻（即使“负电阻”区曲线更陡），可使在不大的正向变化偏压下，获得更大的电流变化，就是一个课题。另外，如进一步提高允许的最高使用温度，也是有意义的问题，随着这些方面的改进，无疑隧道二极管，将在自动控制、微波技术、电子计算机、空间遥测及无线电技术其他方面，获得更广泛的应用。 （李敬章、林 毅编译）