Tunneldiode – Esaki-Diode
In der schulischen Berufsausbildung und im damit verbundenen Elektroniklabor wird man der Tunneldiode kaum begegnen. Im Gegensatz zu noch spezielleren Dioden soll sie hier wegen ihrer besonderen Eigenschaften dennoch vorgestellt werden. Die Tunneldiode ist eine Halbleiterdiode mit hoch dotierten p- und n-Bereichen. Vielfach sind es Germaniumdioden, wo in den Germanium-Einkristall je eine hoch n-dotierte Germaniumpille und eine hoch p-dotierte Indiumpille einlegiert sind. Diese starken Dotierungen führen zu einer extrem schmalen Sperrzone.
Die Grafik zeigt oben die idealisierte und stark vereinfachte Darstellung der Energiebandmodelle normal dotierter n- und p-Halbleiter und unten den Vergleich zur Esaki-Diode. Der Tunneleffekt ist ein quantenphysikalischer Effekt und mit den Gesetzen der traditionellen makroskopischen Physik nicht zu erklären. Ohne ausreichende Energie ist es einem Elektron nicht möglich, das Energiepotenzial der verbotenen Zone zu überschreiten. In der Quantenphysik mit der zu beachtenden Unschärferelation ist es einigen sehr wenigen Teilchen möglich, den Potenzialwall direkt zu überspringen. Es erscheint im nächsten Augenblick auf der anderen Seite, so als ob es diese Zone durchtunnelt hat.
Die Ladungsträgerdichte ist in den Dotierungsbereichen so hoch, dass das Ferminiveau im Valenz- oder Leitungsband liegt. Ohne den Abbau der Sperrschicht führen außen angelegte kleinste Spannungen zum Stromfluss. Dabei verschieben sich die Energieniveaus der Valenz- und Leitfähigkeitsbänder, sodass ihre Bandkanten der Fermi-Energie entsprechen. Elektronen überwinden oder durchtunneln dabei die Sperrzone zwischen dem besetzten Valenz- und leeren Leitungsband. Dieser Effekt wird Tunneleffekt genannt und wurde vom japanischen Physiker Esaki erforscht. Nach ihm werden diese Dioden auch Esaki-Dioden genannt.
Eine Esaki-Diode hat keinen Sperrbereich. Der Tunnelstrom steigt in Sperrrichtung kontinuierlich steil an. Im Durchlassbereich nimmt vor dem Erreichen der Durchbruchspannung der Tunnelstrom einen Maximalwert an. Dieser Punkt wird Gipfelpunkt P, der Strom Höckerstrom IP und die zugehörige Spannung UP genannt.
Eine weitere Erhöhung der Spannung verringert den Tunneleffekt. Im Energiebändermodell stehen sich besetzte und verbotene Zustände gegenüber. Diese Bandlücken werden nur noch von wenigen energiereichen Ladungsträgern überwunden. Der Talpunkt V, die Senke, wird bei der Spannung UV erreicht, wo der Durchlassstrom sein Minimum IV hat. Nach dem Talpunkt baut eine weitere Spannungserhöhung die Sperrzone ab. Der pn-Übergang wird normal leitend und der Verlauf der Kennlinie entspricht einer normalen Diodenkennlinie im Durchlassbereich.
Der Gipfelpunkt P wird bei rund 100 mV erreicht. Die Höhe des Gipfelpunktes ist von der Fläche der pn-Zone abhängig. Die Esaki-Diode weist im Kennlinienbereich zwischen P und V negative differenzielle Widerstandswerte auf. In diesem Kennlinienbereich liegt auch ihr spezieller Arbeitsbereich. Sie wirkt dort wie ein aktives Bauteil und kann zur Entdämpfung von Schwingkreisen eingesetzt werden. Tunneldioden werden in Verstärkerstufen und Oszillatoren des Gigaherzbereichs eingesetzt. Durch ihre hohe Dotierung zeigen sie keine Ladungsspeichereigenschaften in der Sperrzone. Die Dioden eignen sich somit auch als extrem schnelle Schalter.