Туннельный эффект - преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия меньше высоты барьера.Сильному электрическому полю в полупроводнике соответствует большой наклон энергетических зон (рисунок 1). При этом электроны могут проходить сквозь узкий потенциальный барьер (толщиной Δx) без изменения своей энергии – туннелировать благодаря своим квантово-механическим свойствам. Так как процесс туннелирования происходит вследствие перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости, то этот процесс можно считать аналогичным автоэлектронной эмиссии или холодной эмиссии электронов из металла.

Вероятность преодоления прямоугольного потенциального барьера высотой V₀ и шириной 2w электроном с энергией ε и волновым вектором k определяется формулой

где

при βw>>1 вероятность имеет асимптотику

Вероятность перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости и, наоборот, из зоны проводимости в валентную зону одна и та же. Но переход электронов из валентной зоны преобладает, поскольку их там значительно больше, чем в зоне проводимости. Поэтому концентрация носителей заряда растёт при туннелировании.

Туннельный эффект в полупроводниках проявляется при очень больших напряжённостях электрического поля: в кремнии – при E=10⁶ В/см, в германии – при E=10⁵ В/см. Напряжённости электрического поля, при которых появляется эффект туннелирования, различны для разных материалов, так как толщина потенциального барьера (Δ) зависит от ширины запрещённой зоны полупроводника при неизменной напряжённости электрического поля, т.е. при неизменном наклоне энергетических зон.

Туннельный диод – это полупроводниковый диод на основе вырожденного проводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперной характеристике при прямом напряжении участка отрицательной дифференциальной проводимости.
В отличие от всех остальных полупроводниковых диодов для изготовления туннельных диодов используют полупроводниковый материал с очень высокой концентраций примесей (10¹⁸-10²⁰ см^-3). Следствием высокой концентрации примесей в прилегающих к p-n-переходу областях является, во-первых, малая толщина перехода (около 10^-2 мкм), т.е. на два порядка меньше, чем в других полупроводниковых диодах. Сквозь такие тонкие потенциальные барьеры возможно туннелирование носителей заряда. Другим следствием большой концентрации примесей является расщепление примесных энергетических уровней с образованием примесных энергетических зон, которые примыкают к зоне проводимости в n-области и к валентной зоне в p-области.

При небольшом прямом напряжении на туннельном диоде происходит уменьшение высоты потенциального барьера p-n-перехода или смещение энергетической диаграммы n-области относительно энергетической диаграммы p-области. Свободные энергетические уровни p-области (занятые дырками), расположенные непосредственно над уровнем Ферми, оказываются на одной высоте по энергетической диаграмме или при одних и тех же значениях с энергетическим уровнями n-области, занятыми электронами (рисунок 2, б). Поэтому будет происходить преимущественное туннелирование электронов из n-области в p-область.

При прямом напряжении на диоде, когда свободные энергетические уровни валентной и примесной зон p-области окажутся на одной высоте с занятыми электронами энергетическими уровнями зоны проводимости и примесной зоны n-области, туннельный ток через диод будет уменьшаться, так как из-за смещения энергетических диаграмм будет уменьшаться количество электронов, способных туннелировать из n-области в p-область (рисунок 2, г).

Туннельный ток через диод окажется равным нулю при некотором ещё большем прямом напряжении, когда из-за относительного смещения энергетических диаграмм n- и p-областей для свободных электронов n-области не будет свободных энергетических уровней в p-области (рисунок 2, д). Однако при этом через диод будет проходить прямой ток, обусловленный переходом носителей заряда через понизившийся потенциальный барьер p-n-перехода, т.е. ток, связанный с инжекцией.
С дальнейшим увеличением прямого напряжения в связи с уменьшением высоты потенциального барьера прямой ток через туннельный диод будет возрастать, как и в обычных выпрямительных диодах (рисунок 2, е).

При обратном напряжении на туннельном диоде опять возникают условия для туннелирования электронов (рисунок 2, ж). Только теперь электроны туннелируют из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области. Возникающий при этом обратный ток будет расти с увеличением обратного напряжения по абсолютному значению. Туннельный диод обладает относительно высокой проводимостью при обратном напряжении. Можно считать, что у туннельного диода при ничтожно малых обратных напряжениях происходит туннельный пробой.
 

Принцип действия туннельного диода основан на эффекте туннелирования электронов. Туннельные диоды находят широкое применение в качестве генераторов и высокочастотных переключателей, работают на частотах во много раз превышающих частоты работы тетродов — фактически, вплоть до области СВЧ. Туннельный диод обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением в некотором диапазоне прямых напряжений. Это и является самым интересным свойством туннельного диода, так как всякий прибор с отрицательным дифференциальным сопротивлением может быть использован для генерации и усиления электромагнитных колебаний, а также в переключающих схемах.
 

Изображенный на рисунке 3 частотно модулирующий передатчик очень прост и обеспечивает надежный прием в радиусе 10– 30 м при использовании штыревой антенны и частотно модулированного приемника средней чувствительности. Ввиду того, что схема модуляции передатчика простейшая, выходной сигнал несколько искажен, и, кроме частотной модуляции, получаемой за счет изменения синхронно с сигналом микрофона собственной частоты генератора, имеется значительная амплитудная модуляция. Сильно увеличивать выходную мощность такого передатчика нельзя, так как он является источником помех. Такой передатчик можно использовать как переносный радиомикрофон, вызывное или переговорное устройство для малых расстояний.

Принцип действия гетеродина (рисунок 4) такой же, как и предыдущего передатчика. Отличительной особенностью ее является неполное включение контура. Это сделано с целью улучшения формы и стабильности генерируемых колебаний. «Идеальная» синусоида может быть получена на практике, небольшие нелинейные искажения неизбежны.