Dr. W: Bodenberger Vorlesung Elektronik Tunneldiode Die

Dr. W: Bodenberger
Vorlesung Elektronik
Tunneldiode
Die Tunneldiode wurde zuerst von Esaki 1958 beschrieben. Voraussetzung für eine
Tunneldiode ist eine Dotierung mit Fremdatomen größer als 1025 pro m3. Dies führt zu hoch
entarteten p- und n-Halbleitern und zur Ausbildung einer Barriere am PN-Übergang von
typisch 10 nm.
Auf der folgenden Seite ist die Strom-Spannungs – Charakteristik einer Tunneldiode
abgebildet.
Die Funktionsweise der Tunneldiode kann man verstehen, wenn man sich das Bandschema
einer Tunneldiode ansieht. Auch dies ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Wesentliches Kennzeichen der Tunneldiode ist der Bereich mit negativer Kennlinie.
In diesem Bereich lässt sich die Tunneldiode als Oszillator oder Mikrowellen Verstärker
betreiben.
Das Ersatzschaltbild einer Tunneldiode besteht aus einer Serienschaltung eines
Verlustwiderstandes RS mit einer kleinen Induktivität L und einer Parallelschaltung der
Barrierenkapazität C und dem negativen Widerstand –r.
Eingebaut in einen Hohlleiter erhält man einen Mikrowellenoszillator oder
Mikrowellenverstärker.
Legt man an den Eingang dieses Ersatzbildes eine Batterie mit Schalter, so erhält man
einen Mikrowellenoszillator mit der Frequenz f = 1 / 2π LC .
Dr. W: Bodenberger
Vorlesung Elektronik
Die Gunn-Diode
1963 entdeckte Gunn, dass sich in einem n-dotierten GaAs Halbleiter
Mikrowellenoszillationen anregen lassen, wenn man an den Kristall eine hohe Spannung
anlegt. Sobald die angelegte Spannung ein inneres Elektrisches Feld größer als 300kV/m im
Kristall erzeugte, zeigte der Strom Mikrowellenimpulse mit einer Wiederholfrequenz, die
proportional zur Gesamtlänge l des Kristalles sind. Die Länge l liegt im Bereich von 0,01 bis
2,5 mm. Der Gunn Effekt tritt im n oder p dotierten GaAs Kristall auf, ohne dass ein PNÜbergang vorliegt.
Zur Erklärung des Effektes muß man fordern, dass im entsprechenden Material zwei
Leitungsbänder existieren. Betrachtet man das Bandschema von GaAs, so erkennt man, dass
diese Bedignung erfüllt ist. Die beiden Leitungsbänder treten in zwei unterschiedlichen
Kristallrichtungen auf. Ihre Minima sind parabelförmig und fallen mit einer Zonengrenze der
Brillouin zusammen. Dies entspricht einem freien Elektron im Raum. Im Festkörper jedoch
muss die Ruhemasse des Elektrons durch seine reduzierte Masse ersetzt werden. Im Energie
Impuls Diagramm für GaAs ergibt sich die folgende Darstellung.
Die Beweglichkeit der Elektronen im Metall ist abhängig von der reduzierten Masse, die
Beweglichkeit sinkt mit steigender reduzierter Masse und umgekehrt. Ist das innere
Elektrische Feld klein sind die meisten Elektronen im unteren Leitungsband. Wächst das Feld
dann gewinnen die Elektronen kinetische Energie und das obere Band wird zunehmend
gefüllt, da dort mehr freie Zustände zur Verfügung stehen, bis sich keine Elektronen mehr im
unteren Leitungsband mehr befinden. Man erhält dann folgende Abhängigkeit der
Beweglichkeit vom Elektrischen Feld.
Der Bereich hoher und niedriger Driftgeschwindigkeit ist in der Abbildung durch einen
Bereich mit negativer Steigung getrennt. Dies ist der Bereich des Auftretens des Gunn
Effektes.
Gunn konnte durch Feldstärkemessungen über dem Kristall zeigen, dass das Elektrische Feld
nicht homogen sich von der Kathode zur Anode erstreckt, sondern dass es ein Maximum gibt,
das sich durch den Kristall bewegt. Es bildet sich im Kristall eine Domäne aus, die sich mit
nahezu konstanter Geschwindigkeit durch den Kristall bewegt, ( 105 m/s).
Trifft diese Stromdomäne an der Anode ein, entsteht im äußeren Stromkreis ein Maximum.
Im gleichen Augenblick wird an der Kathode eine neue Stromdomäne gebildet.
Es entstehen Mikrowellen Pulse in der Gunn Diode.
Gunn Dioden werden heute auch auf InP Basis hergestellt. Man erreicht Frequenzen bis
110GHz bei Leistungen bis 60mW.