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1、江崎二极管( Tunnel Diode)摘要：江崎二极管是以隧道效应电流为主要电流分量的晶体二极管，在低噪声放大、振荡、卫星微波设备等领域有所应用。本文讲述了江崎二极管（隧道二极管）的简单简介、发明者和它的伏安特性，对隧道效应及其原理也进行简单阐述。随着科技的发展，江崎二极管将在各方面得以广泛的应用和发展。 关键词： 隧道效应； 量子力学； 伏安特性； 应用与发展正文1、江崎二极管的简介江崎二极管是以隧道效应电流为主要电流分量的晶体二极管，其基底材料是砷化镓和锗。它的 P 型区和 N 型区都是高掺杂的（即高浓度杂质） 。隧道二极管的图片隧道二极管在电路中的表示江崎二极管也是双端子有源器件。其主
2、要参数为峰谷电流比（IPPV） ，其中，下标“P”代表“峰 ”；而下标“V ”代表“谷” 。 江崎二极管通常是在重掺杂 N 型（或 P 型）的半导体片上用快速合金工艺形成高掺杂的 PN 结而制成的；其掺杂浓度必须使 PN 结能带图中费米能级进入 N 型区的导带和 P型区的价带；PN 结的厚度还必须足够薄（150 埃左右） ，使电子能够直接从 N 型层穿透 PN结势垒进入 P 型层。这样的结又称隧道结。 费米能级 Fermi level反映电子在能带中填充能级水平高低的一个参数。如果一个能带中的某一个能级的能量设为 E，则该能级被电子占据的概率是符合一个函数规律的即为 f（E），f（E）称为费米
3、函数。当 f（E）=1/2 时，得出的 E 的值对应的能级为费米能级。一般近似的认为费米能级一下的能级都被电子所填充。2、江崎二极管的发明者1957 年，受雇于索尼公司的江崎玲於奈（Leo Esaki ， 1940）在改良高频晶体管 2T7的过程中出现当增加 PN 结两端的电压时电流反而减少，江崎玲於奈将这种反常的负电阻现象解释为隧道效应。由于这一成就，他与 B.D.约瑟夫逊和 I.贾埃佛共同获得 1973 年度诺贝尔物理学奖。3、隧道效应及其原理3.1 隧道效应（quantum tunneling）所谓隧道效应，是指在两片金属间夹有极薄的绝缘层（厚度大约为几个 nm（10-6mm） ，如氧化
4、薄膜） ，当两端施加势能形成势垒 V 时，导体中有动能 E 的部分微粒子在 EV，它进入势垒 V 区时，将波长改变为 )( 若 EV 时，虽不能形成有一定波长的波动，但电子仍能进入 V 区的一定深度。当该势垒区很窄时，即使是动能 E 小于势垒 V，也会有一部分电子穿透 V 区而自身动能 E 不变。换言之，在 EV 时，电子入射势垒就一定有反射电子波存在，但也有透射波存在。 经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小于此能量则不能越过，大于 此能量则可以越过。例如骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。 量子
5、力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好像有一个隧道，故名隧道效应。可见，宏观上的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下，隧道效应并不影响经典的宏观效应，因为隧穿几率极小，但在某些特定的条件下宏观的隧道效应也会出现。 3.3 发生隧道效应的条件（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。补充：【导带】conduction band：是指由自由电子形成的能量空间。即固体结构内自由运动的电子所具有的能量
6、范围。对于金属，所有价电子所处的能带就是导带。对于半导体，所有价电子所处的能带是所谓价带，比价带能量更高的能带是导带。在绝对零度温度下，半导体的价带(valence band)是满带(见能带理论) ，受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带(forbidden band/band gap)进入能量较高的空带，空带中存在电子后即成为导电的能带 导带。【满带】 （filled band）：允带中的能量状态（能级）均被电子占据。在晶体中电子的运动状态与孤立原子的电子状态有所不同。由于电子的共有化运动。原子中每一电子所在能级都分裂为能带。 如在原子中一样，晶体中电子的能量状态也遵守能量最小原
7、理和泡利不相容原理。内层能级所分裂的允带总是被电子所占满，然后在占据更高的外面一层允带。被电子占满的允带称为满带。4、江崎二极管的伏安特性4.1 江崎二极管的主要参数（1）.峰点电压 UF，约几十毫伏，谷点电压 Uv，约几百毫伏； （2）.峰点电流 Ip，约几毫安，谷点电流 Iv 约几百微安；（3）.峰谷电流比 IP/IV，约为 5-6，越大越好； （4）.谷点电容 Cv，几微法至几十微法，越小越好。隧道二极管的伏安特性 4.2 江崎二极管的伏安特性特点隧道二极管伏安特性的特点是峰值电压 VF 和谷底电压 Vv 之间的 N 型负微分电阻（电压控制的负阻） 。对于正向和反向两个方向，原点附近的特
8、性几乎呈对称。电流由不同分量组成。产生负微分电阻的要素，是导带和价带之间电子的隧穿。4.3 江崎二极管的有效优质系数隧道二极管的有效优质系数是峰-谷电流之比（I P/IV） ，表 4.3 示出了不同材料的数值。这里可见，尽管硅的技术成熟，它仍具有最低的峰-谷电流比。Ge GaAs SiIP/IV 1015 1020 35VF（mV） 4070 90120 80100VV（mV） 250350 450600 400500表 4.3 各种材料的隧道二极管的典型特性5、江崎二极管的优缺点优点：（1） 、具有负微分电阻（负阻）的特性；（2） 、可以高速工作，并且不会遭受少数载流子存储影响；（3） 、具有量子力学隧穿的特性，是它不受漂移传输时间限制的固有高速工作机理。缺点：（1） 、由于隧穿电流小，振荡器的功率低；（2） 、因为它是两端器件，没有输入和输出隔离；（3） 、器件的重复性特别是集成电路的重复性有些问题。6、江崎二极管的应用隧道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。
