Tunneldiode
Die Tunneldiode, auch als Esaki-Diode bekannt, wurde im Jahr 1957 von dem japanischen Forscher Leo Esaki entdeckt. Als Hochfrequenz-Halbleiterbauelement spielt sie eine entscheidende Rolle in verschiedenen Anwendungen aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften. Die Tunneldiode besteht aus einem p-n-Übergang, bei dem beide Seiten stark dotiert sind. In vielen kommerziellen Anwendungen werden Tunneldioden aus einer n-dotierten Germanium- oder Galliumarsenid-Schicht hergestellt, in die eine dünnere Schicht aus Indium eingearbeitet wird, oft als “Indiumpille” bezeichnet. Alternativ wurden auch Silizium und Galliumantimonid für die Herstellung verwendet, wobei es jedoch schwieriger ist, eine akzeptable Gütezahl zu erreichen.
Die Dotierung der p- und n-Seiten wird bewusst hoch gewählt, so dass sie über den effektiven Zustandsdichten Nv und Nc liegen. Diese Zustandsdichten bewegen sich typischerweise im Bereich von 10^19 bis 10^21 cm^-3, was bedeutet, dass die Halbleitergebiete entartet sind. Das Ferminiveau liegt im Leitungsband des n-Halbleiters und im Valenzband des p-Halbleiters. Diese Anordnung führt dazu, dass die mit Elektronen besetzten und unbesetzten Bereiche auf (fast) gleichem Potenzial bzw. Energieniveau liegen, was den Tunneleffekt ermöglicht.
Die entscheidende Charakteristik einer Tunneldiode zeigt sich in ihrer Strom-Spannungscharakteristik. Aufgrund der hohen Dotierungen auf beiden Seiten ist die Breite der Sperrschicht, oft als W bezeichnet, bei Nullvorspannung kleiner als 100 Ångström. Infolgedessen erreicht das elektrische Feld in dieser Region beeindruckende Werte von mehr als 10^6 V/cm. Diese extrem schmale Sperrschicht ermöglicht den Elektronen einen Tunnel durch die Barriere, was die Tunneldiode von anderen Dioden unterscheidet.
Die Anwendungsbereiche der Tunneldiode sind vielfältig. Aufgrund ihrer Fähigkeit, bei Hochfrequenzanwendungen effizient zu arbeiten, finden sie Einsatz in Verstärkern, Oszillatoren und Hochfrequenzschaltungen. Die präzise Steuerung des Tunneleffekts in der Tunneldiode macht sie zu einem unverzichtbaren Bauelement in der modernen Halbleitertechnologie.