Tunneldioden

Sie besteht aus einem p-n-Übergang, bei dem beide Seiten stark dotiert sind. Eine Vielzahl kommerziell genutzter Tunneldioden werden aus einer n-dotierten Ge- oder GaAs-Schicht hergestellt, in die eine kleinere Schicht aus Indium einlegiert wird (auch Indiumpille genannt). Auch Si und GaSb wurden schon zur Herstellung genutzt, allerdings ist es bei Verwendung dieser Materialien schwierig, eine akzeptable Gütezahl (ein großes IP/IV Verhältnis) zu erreichen.

Die Dotierung der p- und der n- Seite wird so hoch gewählt, dass sie über den effektiven Zustandsdichten Nv und Nc liegen. Die Zustandsdichten liegen in Bereichen zwischen 1019 und 1021 cm-3. Somit sind die Halbleitergebiete entartet. Das Ferminiveau liegt im Leitungsband des n-Halbleiters und im Valenzband des p-Halbleiters. Das bedeutet, dass sich mit Elektronen besetzte und unbesetzte Bereiche auf (fast) gleichem Potenzial (Energieniveau) befinden, wodurch der Tunneleffekt eintritt. Wegen der hohen Dotierungen auf beiden Seiten ist die Breite der Sperrschicht W bei Nullvorspannung kleiner als 100 Å (entspricht 10 nm). Deswegen erreicht das elektrische Feld in dieser Region Werte von mehr als 106 V/cm. Die allgemeine Formel für die Sperrschichtbreite ist


Die Tunneldiode ist eine Erfindung des Japaners Esaki. Daher der Name Esaki-Diode oder Tunneldiode wegen dem Tunnel-Effekt.
Die Tunneldiode hat ein hochdotiertes n-leitendes Germanium-Plättchen in das eine ebenfalls hochdotierte Indium-Pille einlegiert ist.
Wegen der hohen Dotierung wirkt die Sperrschicht nicht. Die Sperrschicht wird durch die Elektronen mit hoher Geschwindigkeit durchtunnelt. Die Elektronen durchfliegen nahezu mit Lichtgeschwindigkeit diesen Tunnel. Schon bei einer kleinen Durchlassspannung fließt ein Strom, obwohl die Sperrschicht noch nicht abgebaut ist.

Strom-Spannungskennlinie der Tunneldiode
Im Gegensatz zu anderen Dioden hat die Tunneldiode keine Sperrwirkung.
Wird die Spannung an einer Tunneldiode erhöht, steigt zunächst der Strom --bis U1 / I1--. Bei weiterer Spannungserhöhung fällt der Stromwert wieder ab --ab U1 / I1--. Die Tunneldiode wirkt in diesem Bereich wie ein negativer Widerstand. Bei steigender Spannung wird der Strom kleiner --zwischen U1 / I1 und U2 / I2--.
Wird die Spannung weiter erhöht, steigt auch der Strom weiter an (ab U2 / I2).
Ist eine Tunneldiode in Sperrrichtung geschaltet, zeigt sie nahezu keine Sperrwirkung. Schon bei kleinen Spannungen fließen hohe Ströme. Da die Sperrschicht sehr dünn ist tritt der Zenerdurchbruchzustand schon bei kleinen Spannungen auf.

Anwendungen
Der negative Widerstand der Tunneldiode regt LC-Schwingkreise zum Schwingen an. Mit diesem aktiven Bauelement können Verstärker und Oszillatoren aufgebaut werden. Diese Schaltungen eigent sich bis in den Gigahertzbereich.

Anwendungen :
Tunneldioden können bei sehr hohen Frequenzen als Verstärker (bis zu einigen 10 GHz), Schalter und Oszillatoren (bis zu 100 GHz) benutzt werden. Das liegt an dem trägheitsfreien quantenmechanischen Tunnelprozess, der in der Strom-Spannungs-Charakteristik zu erkennen ist.