Techniklexikon

Tunneldiode

Esaki-Diode. pn-Diode, bei der der Tun neleffekt an einem hochdotierten (Dotie rung) abrupten pn-Übergang ausgenutzt wird. Die Dotierung der Halbleitergebiete liegt mit 1019 bis 1021 je cm3 so hoch, daß eine Tunne-lung von Ladungsträgern durch die verbotene Zone (Zone, verbotene) möglich wird (Bandüberlappung eines entarteten Halbleiters, Bändermodell). Bereits bei sehr geringen Spannungen von einigen Millivolt kann die durch den abrupten pn-Übergang entstehende dünne Sperrschicht durchtun-nelt werden. Mit steigender Spannung fließt ein steigender Tunnelstrom, der bei einer bestimmten positiven Spannung Un sein Maximum (Höcker) erreicht und dann wieder abnimmt (Tunneleffekt verschwindet). Bei weiterer Spannungssteigerung setzt der normale Stromfluß einer herkömmlichen pn-Diode ein. tentialbarriere auftreffenden Elektronen diese durchdringen können. Der durch die tunnelnden Elektronen hervorgerufene Teilchenstrom wird Tunnelstrom genannt. Technisch wird der T. in der Elektrotechnik bei den Tunneldioden, Backward-Dio-den (Durchlaßrichtung), Z-Dioden (Sperrrichtung), bei einigen Speichertransistoren (Speicherzelle) und in der Kryoelektro-nik beim Josephson-Effekt an Supraleitern genutzt. Durch den Abfall des Tunnelstroms oberhalb der Höckerspannung UH entsteht ein negativer differentieller Widerstand. Die T. kann in diesem Bereich zur Schwingungserzeugung bzw. Entdämpfung genutzt werden. T. sind bis in den GHz-Bereich einsetzbar, benötigen aber eine sehr stabile Versorgungsspannung, um im optimalen Arbeitspunkt arbeiten zu können. Elektronik, Halbleiterphysik, Esaki-Diode, eine p-n-Diode, bei der beide Seiten sehr hoch dotiert (Dotierung) sind, so dass die Fermi-Niveaus (Fermi-Energie) auf der n-Seite im Leitungsband und auf der p-Seite im Valenzband liegen. Dadurch befinden sich besetzte und unbesetzte Elektronenzustände auf gleichem Energieniveau, getrennt durch eine sehr schmale verbotene Zone, die den Tunneleffekt ermöglicht. Wird eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt, so steigt der Strom (Tunnelstrom) mit wachsender Spannung zunächst stark an. Mit der weiteren Erhöhung der Spannung verschiebt sich die n-Seite gegenüber der p-Seite, so dass immer weniger unbesetzte Zustände besetzten gegenüberliegen. Der Tunnelstrom nimmt daher wieder ab, so dass eine fallende I-U-Kennlinie entsteht, die einen negativen Widerstand darstellt. Steigt die Spannung noch weiter an, so beginnt der normale Diodenstrom zu fliessen. Bei Umpolung der Spannung steigt sofort der Tunnelstrom in der umgekehrten Richtung an, so dass keine Sperrwirkung vorhanden ist. Die Tunneldiode wird in Spezialfällen zur Schwingungserzeugung und als Schaltdiode eingesetzt (Kennlinie siehe Abb.).

Tunneldiode: Kennlinie einer Germanium-Tunneldiode bei 20 °C.