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Tunneldiode

Schaltungssymbol einer Tunneldiode

Bild 1: Schaltungssymbol einer Tunneldiode

Im Jahre 1958 entdeckte der japanische Wissenschaftler Leo Esaki, dass eine Halbleiterdiode aus stark dotierten Materialien einen negativen Innenwiderstand haben kann. Eine „normale” Halbleiterdiode besteht aus einem Kristall mit einem Störatom auf etwa 10 Millionen Atomen des Basiskristalls. Diese recht schwache Dotierung bewirkt eine breite Raumladungszone. Eine Leitfähigkeit wird nur erreicht, wenn die Spannung groß genug ist, dass die Valenzelektronen die verbotene Zone überwinden können.

Bereich
negativen Widerstands

Bild 2: Kennlinie einer Tunneldiode

Bereich
negativen Widerstands

Bild 2: Kennlinie einer Tunneldiode
(Tipp: mit dem Mauszeiger die rote Kurve verfolgen!)

Bei einer Tunneldiode beträgt die Dotierung sogar 1000 Störatome auf etwa 10 Millionen Atomen des Basiskristalls. Diese starke Dotierung bewirkt wie bei der Z- Diode eine extrem schmale Raumladungszone. Diese starke Dotierung hat eine außergewöhnliche Kennlinienform zur Folge, die sich von einer normalen Halbleiterdiode unterscheidet. Bild 2 zeigt diese Kennlinie einer Tunneldiode.

Diese Kennlinie kann in drei Teilabschnitte untergliedert werden:

  1. Schon bei sehr kleinen Durchlassspannungen (bei denen eine normale Diode noch gesperrt ist) fließt ein zunehmender Strom bis zu einem Scheitelpunkt (IP).
  2. Bei einer weitern Erhöhung der Spannung sinkt der Strom wieder bis zu einem Minimum (IV).
  3. Danach steigt der Strom wieder proportional zur Vorspannung.

Der Abschnitt der Kennlinie zwischen IP und IV ist der Bereich, in dem die Tunneldiode Eigenschaften eines negativen Widerstandes aufweist. Eine Erklärung für dieses Phänomen kann wie beim Zenereffekt wieder mit Hilfe des Bändermodells gegeben werden.

Leitungsband
p-Material
Leitungsband
n-Material
verbotene
Zone
verbotene
Zone
Valenzband
Valenzband

Bild 3: Bändermodell einer Tunneldiode ohne Vorspannung.

Leitungsband
p-Material
Leitungsband
n-Material
verbotene
Zone
verbotene
Zone
Valenzband
Valenzband

Bild 3: Bändermodell einer Tunneldiode ohne Vorspannung.

Bei einer Tunneldiode ist die Dicke der Raumladungszone (also die verbotene Zone) extrem dünn und liegt im Bereich von etwa einem Mikrometer. Die Modellvorstellung des quantenmechanischen Tunneleffektes besagt, dass die Elektronen diese Energiebarriere, die sie auf Grund mangelnder Energie eigentlich nicht überwinden können, wie durch einen Tunnel durchqueren.

Bild 3 zeigt das Bändermodell einer Tunneldiode, an der noch keine Vorspannung anliegt. Das Valenzband des p- Materials und das Leitungsband des n- Materials überlappen sich teilweise. Einige Ladungsträger können also vom Valenzband des p- Materials in das Leitungsband des n- Materials eindringen. Es fließ aber kein Strom, da sich die Majoritätsträger (Elektronen) und die Löcher in beide Richtungen bewegen.

Leitungsband
p-Material
Leitungsband
n-Material
verbotene
Zone
verbotene
Zone
Valenzband
Valenzband

Bild 4: Bändermodell einer Tunneldiode mit einer Vorspannung von 200 Millivolt

Leitungsband
p-Material
Leitungsband
n-Material
verbotene
Zone
verbotene
Zone
Valenzband
Valenzband

Bild 4: Bändermodell einer Tunneldiode mit einer Vorspannung von 200 Millivolt

Im Bild 4 wird das Bändermodell einer Tunneldiode gezeigt, bei der eine kleine Vorspannung (etwa 200 mV) anliegt. Durch diese Vorspannung bewegen sich die Elektronen vom Leitungsband des n- Materials in das Valenzband des p- Materials, haben aber nicht genug Energie, um die Raumladungszone (verbotene Zone) zu überwinden. Solange sich diese beiden Energieniveaus überlappen, kann aber trotzdem ein Stromfluss erfolgen. Jedoch: je höher die Vorspannung, desto geringer die Überlappung, aber desto kleiner auch die verbotene Zone.

Leitungsband
p-Material
Leitungsband
n-Material
verbotene
Zone
verbotene Zone
Valenzband
Valenzband

Bild 5: Bändermodell einer Tunneldiode mit einer Vorspannung von 400 Millivolt

Leitungsband
p-Material
Leitungsband
n-Material
verbotene
Zone
verbotene Zone
Valenzband
Valenzband

Bild 5: Bändermodell einer Tunneldiode mit einer Vorspannung von 400 Millivolt

Wenn die Vorspannung wie in Bild 5 gezeigt auf über 400 mV angestiegen ist, dann überlappen sich das Valenzband des p- Materials und das Leitungsband des n- Materials nicht mehr, der Tunneleffekt ist nicht mehr möglich. Vom Scheitelpunkt IP bis zum Minimum IV sinkt der Strom bei steigender Vorspannung, die Überlappungszone wird immer schmaler. Es können bei steigender Vorspannung immer weniger Elektronen in das Valenzband des p- Materials eindringen. Das bedeutet, dass die Tunneldiode in diesem Bereich einen negativen Widerstand aufweist.

Bei einem weiteren Anstieg der Vorspannung überlappen sich die Energiebänder nicht mehr. Dafür ist aber die Raumladungszone (verbotene Zone) so schmal geworden, dass die Elektronen sich wie bei einem normalen pn-Übergang verhalten.

Dieser Bereich des negativen Widerstandes ist die wichtigste und meist genutzte Eigenschaft einer Tunneldiode. Mit diesem negativen Widerstand kann die Tunneldiode Schwingkreise entdämpfen und somit als Oszillator oder Verstärker arbeiten. Da bei dem quantenmechanischen Tunneleffekt keinerlei Laufzeiten auftreten, ist die Tunneldiode für Anwendungen in der Höchstfrequenztechnik geeignet.