6.7. Tuneliniai ir atvirkštiniai diodai

esant labai didelėms priemaišų koncentracijoms p ir n srityse, pn sandūros voltamperinė charakteristika yra anomali (6.14 pav., a). Charak­teristikos anomaliją lemia tunelinė srovė.

Kai priemaišų koncentracija viršija 10¹⁸ cm^–3, puslaidininkis išsigimsta. Priemaišiniai lygmenys sudaro leidžiamąsias juostas. Iš donorinių lygmenų sudaryta juosta persikloja su laidumo juosta; išsigimusiame n puslaidininkyje Fermio lygmuo yra laidumo juostoje Juosta, sudaryta iš akceptorinių lygmenų persikloja su valentine juosta; išsigimusiame p puslaidininkyje Fermio lygmuo yra valentinėje juostoje.

Išsigimusių puslaidininkių sandūra esti labai plona (0,01 mm). 6.15 paveiksle atvaizduota tokia sandūra ir jos energijos lygmenų diagramos, atitinkančios 6.14 paveiksle, a, pažymėtus keturis voltamperinės charakteristikos taškus.

Kai neveikia išorinė įtampa, Fermio lygmuo yra bendras visam dariniui (6.15 pav., b). Per sandūrą srovė neteka.

Prijungus atgalinę įtampą, prieš elektronų užimtus valentinės juostos lygmenis atsiranda neužimtų laidumo juostos lygmenų (6.15 pav., c). Kadangi šiuos lygmenis skiria labai plonas potencialo barjeras, tai elektronai iš p srities valentinės juostos tuneliniu būdu skverbiasi į n srities laidumo juostą. Didėjant atgalinei įtampai, prieš užimtus lygmenis atsiduria vis daugiau laisvų lygmenų. Todėl tunelinė srovė ir pn sandūros atgalinė srovė sparčiai stiprėja.

Pradėjus veikti tiesioginei įtampai, prieš elektronų užimtus laidumo juostos lygmenis atsiranda neužimtų valentinės juostos lygmenų. Kylant įtampai, tokių lygmenų daugėja ir jų skaičius pasiekia maksimumą (6.15 pav., d) voltamperinės charakteristikos 2 taške.

Toliau kylant tiesioginei įtampai, ima mažėti lygmenų, esančių prieš neužimtus leidžiamuosius energijos lygmenis, skaičius. Atitinkamai kinta ir tunelinė srovė. 6.15 paveiksle, e, atvaizduota pn sandūros energijos lygmenų diagrama, atitinkanti voltamperinės charakteristikos 3 tašką. Šiame taške tunelinė srovė neteka, tačiau tiesioginė sandūros srovė nelygi nuliui. Taip yra todėl, kad, veikiant tiesioginei įtampai, sandūroje sumažėja potencialo barjero aukštis ir pradeda tekėti difuzinė srovė. Kylant tiesioginei įtampai, ji stiprėja.

Taigi išsigimusių puslaidininkių pn sandūros voltamperinės charak­teristikos eigą lemia tunelinė ir difuzinė srovės. Tai iliustruoja 6.14 paveikslas, b, kuriame atvaiz­duotos tunelinės  ir difuzinės  srovių priklausomybės nuo įtampos. Sumuodami šias sroves, gauname tunelinio diodo voltamperinę charakteristiką, atvaizduotą 6.14 pa­veiksle, a.

Tunelinio diodo voltamperinės charakteristikos dalyje tarp 2 ir 3 taškų dinaminė varža yra neigiama. Todėl tunelinius diodus galima naudoti silpniems elektriniams virpesiams stiprinti ir generuoti. Tekant tunelinei srovei, elektronai tiesiai iš n srities laidumo juostos patenka į p srities valentinę juostą, taigi nesikaupia šalutiniai krūvi­ninkai. Todėl tuneliniai diodai pasižymi didele veikimo sparta ir yra naudojami formuoti trumpų frontų impulsus. Dėl gerų dažninių savybių tuneliniai diodai naudojami mikro­bangų įtaisuose.

Parinkus mažesnę priemaišų koncentraciją, galima pasiekti, kad n srityje Fermio lygmuo sutaptų su laidumo juostos dugnu, o p srityje – su valentinės juostos viršumi (6.16 pav., a). Tada tunelinė srovė teka tik veikiant atgalinei įtampai, ir gaunama 6.16 paveiksle, b, atvaizduota diodo voltamperinė charakteristika. Kaip matyti, kai veikia nedidelė įtampa, diodo atgalinė srovė esti stipresnė nei tiesioginė. Diodo atgalinė varža yra daug mažesnė už jo varžą tiesiogine kryptimi. Todėl toks diodas vadinamas atvirkštiniu diodu. Atvirkštiniai diodai taikomi silpnų aukštadažnių signalų apdorojimo įtaisuose, pavyzdžiui, detektoriuose.