Кратко: туннельный (диод Эсаки) — сильно легированный p–n-переход с очень тонким барьером, при котором возможен квантовый туннельный переход электронов через потенциальный барьер. Это даёт быстрый спад тока при определённом смещении и приводит к области отрицательного дифференциального сопротивления (ОДДС).
Механизм (по шагам):
1. Структура и исходные условия:
- При сильном легировании уровни Ферми частично входят в зоны (выраженная вырожденность), ширина запирающего слоя мала ($\sim$нм).
- Из‑за тонкого барьера электроны могут квантово туннелировать из заполненных состояний одной стороны в незаполненные состояния другой без преодоления барьера классически.
2. Туннельный ток и его зависимость от смещения:
- Туннельный ток определяется перекрытием заполненных и пустых состояний и вероятностью туннелирования:
$$I(V)\propto \int D_p(E)D_n(E+eV)T(E)[f_n(E+eV)-f_p(E)]dE,$$ где $D_{p,n}$ — плотности состояний, $T(E)$ — вероятность туннелирования, $f$ — функции Ферми, $eV$ — электрический сдвиг уровней.
- При приближённой оценке вероятность туннелирования через барьер в WKB-приближении:
$$T(E)\approx \exp \left(-2{\int }_{x_1}^{x_2}\sqrt{\frac{2m^{\ast }(V(x)-E)}{{\hslash }^2}}dx\right).$$
3. Поведение при изменении прямого смещения $V$:
- Малые $V$: растёт перекрытие заполненных состояний n‑стороны с пустыми состояниями p‑стороны → ток увеличивается.
- В точке максимального перекрытия (пиковый ток $I_p$ при $V_p$) перекрытие и, соответственно, ток максимально велики.
- При дальнейшем увеличении $V$ уровни смещаются так, что заполненные состояния одной стороны перестают совпадать с пустыми на другой — перекрытие уменьшается, хотя вероятность туннелирования может слегка меняться. В результате интеграл для $I(V)$ уменьшается → производная $dI/dV<0$ (ОДДС).
- При ещё больших $V$ туннельный вклад становится мал, остаются обычные носители (термо- и инжекционные) — ток снова растёт до вальевой точки $I_v$ при $V_v$.
Объяснение появления ОДДС:
- ОДДС возникает не потому, что туннельный барьер внезапно «падает», а потому, что при росте $V$ уменьшается энергетическое перекрытие заполненных и пустых состояний, от которого напрямую зависит туннельный поток. Математически это видно из интеграла для $I(V)$: при таких смещениях вклад интеграла убывает, давая $dI/dV<0$.
- Ключевые факторы: высокая концентрация носителей (выраженная вырожденность), тонкий барьер (чтобы $T(E)$ было существенно отличным от нуля) и сдвиг уровней под действием $V$, который меняет перекрытие $D_p{D}_n$.
Кратко о параметрах: пиковый и вальевой токи и напряжения ($I_p,V_p,I_v,V_v$) зависят от степени легирования, ширины и формы перехода и эффективной массы $m^{\ast }$ (через $T(E)$).