Die Tunneldiode – Esaki-Diode

In der schulischen Berufsausbildung und im daran angeschlossenen 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. Die hohen Dotierungen verursachen eine extrem schmale Sperrzone.

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.

Die folgende Grafik zeigt die idealisierte und stark vereinfachte Darstellung der Energiebandmodelle normal dotierter n- und p-Halbleiter links im Vergleich zur Esaki-Diode rechts.

Ferminiveau in den pn-Zonen

Esaki-Diodenkennlinie
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.

Mit Spannungserhöhung verringert sich der 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 Kennlinienverlauf entspricht einer normalen Diodenkennlinie im Durchlassbereich.

Der Gipfelpunkt P wird bei rd. 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. Sie wirkt dort wie ein aktives Bauteil und kann bei Schwingkreisen zur Entdämpfung eingesetzt werden. In diesem Kennlinienbereich liegt auch ihr spezieller Arbeitsbereich. 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.