隧道二极管

Tunnel Diode（Esaki）

利用简并窄 PN 结的带间隧穿形成特殊电流电压曲线，并在一定正向偏置下出现负微分电阻的二极管。

专深出处 2 本教材

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利用简并窄 PN 结的带间隧穿形成特殊电流电压曲线，并在一定正向偏置下出现负微分电阻的二极管。

系统理解

约 2 分钟

既有 PN 结统一节点已介绍简并窄结的状态匹配。本页进一步区分直接隧穿、过剩与扩散电流，讨论谷电流、温度、寄生和经验模型边界。负微分电阻是局部曲线斜率，不表示静态 V/I 为负，也不保证器件脱离偏置与外电路后自动振荡。

在 PN 结与能带基础之后，比较带间隧穿和双势垒量子共振，再联系负阻电路与制造约束。

关键参数

关键参数
参数	单位	含义
峰谷电流比	1	同一测试条件下峰电流除以谷电流
微分电导	S	给定偏置附近电流对电压的导数
结电容	F	结储能对应的小信号电容

常见误区

负微分电阻表示器件的电压与电流必定异号。
只要发生隧穿就一定会自动产生高频振荡。

工程深入

12 条结论 · 1 道例题

偏置与状态窗口

边界

负微分电阻不是负的静态电阻

在正向峰谷区，电压增加而电流减小，因此局部微分电导 dI/dV 为负。该区的电压和电流仍可同为正值，不能把负微分电阻理解为 V/I 必须为负。^{1, 2}

g_d=\frac{\mathrm dI}{\mathrm dV},\qquad r_d=\frac{1}{g_d}\quad(g_d\ne0)

g_d: 局部微分电导，单位 S
r_d: 局部微分电阻，单位 Ω

成立条件 讨论稳定测得的局部 I–V 曲线。；峰点、谷点处的零斜率与区间内负斜率应分开。

机制

总电流需要区分三种贡献

隧道二极管的正向电流可分为直接带间隧穿、禁带中间态参与的过剩电流和较大正向偏置下的普通扩散电流。只画带间隧穿分量会低估谷区与高偏置电流。^{1, 2}

成立条件 采用教材的分量模型。；实际分量大小与缺陷、温度及器件参数有关。

机制

强反偏隧穿不需要先发生雪崩

在相应的简并窄结中，反向偏置可让 p 侧价带占据态中的电子隧穿到 n 侧导带空态。它与碰撞电离产生载流子倍增的雪崩机制不同。^{1, 2}

成立条件 讨论足够薄势垒的重掺杂结。；不把所有反向漏电都归因于隧穿。

材料与动量选择

机制

直接与间接隧穿必须核对动量条件

能量匹配和空态并不是全部条件。若起末态的动量不能直接匹配，声子或杂质参与可提供相应的动量交换，所以不能把直接带隙材料的简单图像原样套到所有材料。¹

成立条件 区分具体材料的能谷位置。；不将间接过程近似为绝对不可能。

谷电流与缺陷

机制

禁带中间态会抬高谷电流

通过禁带状态的非弹性或分步隧穿形成过剩电流，能够在直接带间隧穿已明显减弱时维持电流。较高谷电流会压低峰谷电流比。^{1, 2}

成立条件 讨论含相应禁带状态的结。；不是所有缺陷变化都只改变一个电流分量。

参数与表征

公式

峰谷电流比要连同测试条件报告

峰谷电流比是指定曲线上峰电流与谷电流之比，用于描述负阻特征的对比度。它不是材料名称单独决定的固定常数，比较时需要一致的温度和器件条件。^{1, 2}

\mathrm{PVCR}=\frac{I_p}{I_v}

I_p: 正向峰电流，单位 A
I_v: 正向谷电流，单位 A
PVCR: 峰谷电流比，单位 1

成立条件 峰谷点来自同一条 I–V 曲线。；不把历史样品的数值当作现行材料常数。

边界

峰电流的温度系数不能统一规定为一个符号

升温同时改变带隙和载流子的能量占据分布。不同掺杂与能带重叠条件下，峰电流温度系数可能呈不同符号，不能把单一样品的趋势推广为所有隧道二极管的规则。¹

成立条件 比较确定器件的温度曲线。；需要排除明显自热与接触变化。

小信号与电路边界

机制

负阻结仍有串联电阻、电容与电感

端口小信号特性除负的微分结电阻外，还受到结电容、串联接触与体电阻以及引线电感影响。这些寄生会限制负阻可见的频率范围和电路性能。¹

成立条件 围绕给定偏置点线性化。；大信号跳变不能仅用局部微分参数解释。

边界

电流电容比不是直接以赫兹计的速度

Ip/Cj 可用于比较充放电能力，但量纲为 V/s。要估算实际电压跃迁时间，还需要电压摆幅、可用净电流及外部电路条件，不能直接把这个比值标成振荡频率。¹

成立条件 结电容在所考察偏压范围内有明确含义。；实际时间还受 RC、寄生及驱动限制。

模型与教学计算

公式

经验式只描述带间隧穿电流分量

一个常用经验式用峰电流和峰电压近似隧穿分量的形状。它不能取代过剩与扩散电流，也不能独自预言实际总电流的谷点。¹

I_t=I_p\frac{V}{V_p}\exp\!\left(1-\frac{V}{V_p}\right)

I_t: 模型中的隧穿电流分量，单位 A
I_p: 模型峰电流，单位 A
V_p: 模型峰电压，单位 V
V: 结上的正向电压，单位 V

成立条件 参数由对应器件拟合或作为教学假设给出。；不在所有偏置和温度下视为精确物理定律。

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学模型 Ip=10.0 mA、Vp=0.100 V 时，V=0.200 V 的隧穿分量与局部微分电阻是多少？

已知

Ip=0.0100 A，Vp=0.100 V。
只计算经验式隧穿分量，不代表总电流。

步骤

V/Vp=2.00；It=0.0100×2×exp(−1)=0.0073576 A，把电压换成无量纲比值后代入。
gt=(Ip/Vp)exp(1−V/Vp)(1−V/Vp)=−0.0367879 S，对经验式求导并代入。
rt=1/gt=−27.1828 Ω，求局部微分电导的倒数。

结果隧穿分量约 7.36 mA，局部微分电阻约 −27.2 Ω。

电压与电流均为正，局部斜率仍可为负。

不能外推到 加入过剩与扩散电流后，总微分电阻一般不同。

相近器件与应用

边界

反向二极管不一定具有明显正向负阻

降低简并程度可使正向峰谷对比很弱，而反向隧穿仍较易发生，这类反向二极管利用的是不对称的小信号导电特征，不应仅凭是否有明显峰谷来判断是否发生隧穿。²

成立条件 指教材中的 backward diode。；不是普通二极管反接的另一名称。

关联

隧穿结也可作为多结电池的内部连接

在适当设计下，反向隧穿结可连接串联的光伏子结，使内部连接在工作电流下具有较小压降。应用于此并不等于所有隧道二极管都具有相同电流承载能力或光学损耗。²

成立条件 匹配多结电池工作电流与结设计。；光学吸收及串联损失需要另行核验。

出处

2 本教材 · 17 处引用

1
Physics of Semiconductor Devices
S. M. Sze, Yiming Li, Kwok K. Ng · 第4版 · 2021
- §9.2.3，图11；PDF pp.895–896；印刷页未映射 支持：负微分电阻不是负的静态电阻
- §9.2.2，式28；PDF pp.890–893；印刷页未映射 支持：总电流需要区分三种贡献
- §9.2，图2及说明；PDF pp.875、877；印刷页未映射 支持：强反偏隧穿不需要先发生雪崩
- §9.2.1；PDF pp.877–878；印刷页未映射 支持：直接与间接隧穿必须核对动量条件
- §9.2.2，图9；PDF pp.890–892；印刷页未映射 支持：禁带中间态会抬高谷电流
- §9.2.2；PDF pp.893–894；印刷页未映射 支持：峰谷电流比要连同测试条件报告
- §9.2.2，温度影响；PDF p.894；印刷页未映射 支持：峰电流的温度系数不能统一规定为一个符号
- §9.2.3，图11及式30–32；PDF pp.895–898；印刷页未映射 支持：负阻结仍有串联电阻、电容与电感
- §9.2.3，开关性能；PDF p.899；印刷页未映射 支持：电流电容比不是直接以赫兹计的速度
- §9.2.1，式15；PDF p.886；印刷页未映射 支持：经验式只描述带间隧穿电流分量
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2
The Physics of Semiconductors
Marius Grundmann
- §21.5.9；；PDF p.683，第 666 页 支持：负微分电阻不是负的静态电阻；强反偏隧穿不需要先发生雪崩；禁带中间态会抬高谷电流；隧穿结也可作为多结电池的内部连接
- §21.5.9，图21.72；；PDF pp.681、683，第 664、666 页 支持：总电流需要区分三种贡献
- §21.5.9，图21.75；；PDF p.683，第 666 页 支持：峰谷电流比要连同测试条件报告
- §21.5.10；；PDF p.683，第 666 页 支持：反向二极管不一定具有明显正向负阻
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关键参数

常见误区

偏置与状态窗口

#负微分电阻不是负的静态电阻

#总电流需要区分三种贡献

#强反偏隧穿不需要先发生雪崩

材料与动量选择

#直接与间接隧穿必须核对动量条件

谷电流与缺陷

#禁带中间态会抬高谷电流

参数与表征

#峰谷电流比要连同测试条件报告

#峰电流的温度系数不能统一规定为一个符号

小信号与电路边界

#负阻结仍有串联电阻、电容与电感

#电流电容比不是直接以赫兹计的速度