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<!DOCTYPE html>

<title>Tunneldiode</title>

</head>

<h1 id="firstHeading" class="firstHeading mw-first-heading"><span class="mw-page-title-main">Tunneldiode</span></h1>

</header>

</div>

<p>Die <b>Tunneldiode</b>, 1957 entdeckt vom <a href="Japan" title="Japan">japanischen Wissenschaftler</a> <a href="Leo_Esaki" title="Leo Esaki">Leo Esaki</a> (deshalb auch <i>Esaki-Diode</i> genannt), ist ein <a href="Hochfrequenz" title="Hochfrequenz">Hochfrequenz</a>-<a href="Liste_elektronischer_Bauteile#Halbleiter" class="mw-redirect" title="Liste elektronischer Bauteile">Halbleiterbauelement</a>, das in bestimmten Spannungsbereichen einen <a href="Differentieller_Widerstand" title="Differentieller Widerstand">negativ differentiellen Widerstand</a> darstellt.<sup id="cite_ref-1" class="reference"><a href="#cite_note-1"><span class="cite-bracket">[</span>1<span class="cite-bracket">]</span></a></sup><sup id="cite_ref-2" class="reference"><a href="#cite_note-2"><span class="cite-bracket">[</span>2<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Das heißt, in diesem Bereich führt eine ansteigende Spannung zu einer absinkenden Stromstärke, anstatt – wie in allen gewöhnlichen Materialien – zu einer ansteigenden Stromstärke. Zum Beispiel kann damit ein angeschlossener <a href="Schwingkreis" title="Schwingkreis">Schwingkreis</a> entdämpft werden (<a href="Oszillator" title="Oszillator">Oszillator</a>). Sie gehört daher zu den <a href="Elektrisches_Bauelement#Passive_und_aktive_Bauelemente" title="Elektrisches Bauelement">aktiven dynamischen Bauelementen</a>.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Aufbau">Aufbau</h2></div>

<p>Sie besteht aus einem <a href="P-n-%C3%9Cbergang" title="P-n-Übergang">p-n-Übergang</a>, bei dem beide Seiten stark <a href="Dotierung" title="Dotierung">dotiert</a> sind. Eine Vielzahl kommerziell genutzter Tunnel<a href="Diode" title="Diode">dioden</a> wird aus einer n-dotierten <a href="Germanium" title="Germanium">Germanium</a>- oder <a href="Galliumarsenid" title="Galliumarsenid">Galliumarsenid</a>-Schicht hergestellt, in die eine kleinere Schicht aus <a href="Indium" title="Indium">Indium</a> <a href="Legierung" title="Legierung">einlegiert</a> wird (auch <i>Indiumpille</i> genannt). Auch <a href="Silizium" class="mw-redirect" title="Silizium">Silizium</a> und <a href="Galliumantimonid" title="Galliumantimonid">Galliumantimonid</a> wurden schon zur Herstellung genutzt, allerdings ist es bei Verwendung dieser Materialien schwierig, eine akzeptable Gütezahl (ein großes Verhältnis <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle I_{P}/I_{V}}">

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<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle I_{P}/I_{V}}</annotation>

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</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/98d422f518055b8e8062a123b25717baa0b3e276.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.838ex; width:6.171ex; height:2.843ex;" alt="{\displaystyle I_{P}/I_{V}}" loading="lazy"></span>) zu erreichen.

</p><p>Die Dotierung der p- und der n-Seite wird so hoch gewählt, dass sie über den effektiven <a href="Zustandsdichte" title="Zustandsdichte">Zustandsdichten</a> <i>N<sub>v</sub></i> und <i>N<sub>c</sub></i> liegen. Die Zustandsdichten liegen in Bereichen zwischen 10<sup>19</sup> und 10<sup>21</sup> cm<sup>−3</sup>. Somit sind die Halbleitergebiete entartet. Die <a href="Fermi-Energie" title="Fermi-Energie">Fermi-Energie</a> liegt im <a href="Leitungsband" title="Leitungsband">Leitungsband</a> des n-<a href="Halbleiter" title="Halbleiter">Halbleiters</a> und im <a href="Valenzband" title="Valenzband">Valenzband</a> des p-Halbleiters. Das bedeutet, dass sich mit Elektronen besetzte und unbesetzte Bereiche auf (fast) gleichem Potenzial (Energieniveau) befinden, wodurch der <a href="Tunneleffekt" title="Tunneleffekt">Tunneleffekt</a> eintritt. Wegen der hohen Dotierungen auf beiden Seiten ist die Breite der <a href="Sperrschicht" class="mw-disambig" title="Sperrschicht">Sperrschicht</a> <i>W</i> bei Nullvorspannung kleiner als 10 <a href="Meter#nm" title="Meter">nm</a>. Deswegen erreicht das <a href="Elektrostatik" title="Elektrostatik">elektrische Feld</a> in dieser Region Werte von mehr als 10<sup>6</sup> V/cm. Die allgemeine Formel für die Sperrschichtbreite ist:

</p>

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<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle W={\sqrt {\frac {2\cdot \varepsilon _{\mathrm {H} }\left(U_{\mathrm {D} }-U\right)\cdot \left(N_{\mathrm {A} }+N_{\mathrm {D} }\right)}{q\cdot N_{\mathrm {A} }\cdot N_{\mathrm {D} }}}}}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/eaeccdf8e95332efe72f2db1f0d3c1c5adff06b4.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -3.005ex; width:36.992ex; height:7.509ex;" alt="{\displaystyle W={\sqrt {\frac {2\cdot \varepsilon _{\mathrm {H} }\left(U_{\mathrm {D} }-U\right)\cdot \left(N_{\mathrm {A} }+N_{\mathrm {D} }\right)}{q\cdot N_{\mathrm {A} }\cdot N_{\mathrm {D} }}}}}" loading="lazy"></span></dd></dl>

<p>In dieser Formel sind <i>ε</i><sub>H</sub> die <a href="Permittivit%C3%A4t" title="Permittivität">Permittivität</a> des Halbleiters, <i>U</i><sub>D</sub> ist die Diffusions- und <i>U</i> die angelegte Spannung, <i>q</i> ist die <a href="Elementarladung" title="Elementarladung">Elementarladung</a> und <i>N</i><sub>A</sub> und <i>N</i><sub>D</sub> <a href="B%C3%A4ndermodell#Halbleiter" title="Bändermodell">Akzeptor-</a> und <a href="B%C3%A4ndermodell#Halbleiter" title="Bändermodell">Donator-</a>Konzentrationen.

</p><p>Die obige Grafik zur Strom-Spannungscharakteristik zeigt das kennzeichnende Merkmal der Tunnel-Diode, dass sie im Bereich <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle U_{P}<U<U_{V}}">

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<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle U_{P}<U<U_{V}}</annotation>

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</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/4d8e92a5be9c057f1f579719414d96ac5aaddb7b.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.671ex; width:14.117ex; height:2.509ex;" alt="{\displaystyle U_{P}<U<U_{V}}" loading="lazy"></span> einen <a href="Differentieller_Widerstand" title="Differentieller Widerstand">negativ differentiellen Widerstand</a> darstellt, der in diesem Spannungsbereich, anders als gewöhnliche Materialien, bei ansteigender Spannung zu einer absinkenden Stromstärke führt.

</p><p>Eine ähnliche Funktion, aber mit einem größeren Betriebsbereich, weisen <a href="Lambda-Diode" title="Lambda-Diode">Lambda-Dioden</a> auf, welche durch eine einfache elektronische Schaltung, bestehend aus <a href="JFET" class="mw-redirect" title="JFET">JFETs</a>, nachgebildet werden können.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Lebensdauer">Lebensdauer</h2></div>

<p><a href="Germanium" title="Germanium">Germanium</a>-Tunneldioden sind sehr temperaturempfindlich und können beim unvorsichtigen Löten bereits soweit degradieren, dass sie funktionsunfähig werden.

Sowohl Germanium- als auch <a href="Galliumarsenid" title="Galliumarsenid">GaAs</a>-Tunneldioden sind empfindlich auf Überlastung. Im Besonderen altern GaAs-TD innerhalb von Monaten bis zur Unbrauchbarkeit, wenn sie bis in den Bereich der normalen Durchlassspannung mit I<sub>p</sub> betrieben werden, auch wenn die zulässige Verlustleistung nicht überschritten wird.<sup id="cite_ref-3" class="reference"><a href="#cite_note-3"><span class="cite-bracket">[</span>3<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p><p>Faustformel für die Grenze für sicheren Betrieb:

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<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle {\frac {I_{\mathrm {avg} }}{C_{j}}}={\frac {0{,}5\,\mathrm {mA} }{\mathrm {pF} }}}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/03ddf766eba56ad9cb51474090578044d6de7514.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -2.671ex; width:15.576ex; height:6.343ex;" alt="{\displaystyle {\frac {I_{\mathrm {avg} }}{C_{j}}}={\frac {0{,}5\,\mathrm {mA} }{\mathrm {pF} }}}" loading="lazy"></span></dd></dl>

<ul><li><i>I</i><sub>avg</sub>: Mittlerer Betriebsstrom</li>

<li><i>C<sub>j</sub>:</i> Sperrschichtkapazität</li></ul>

<p>Trotz dieser Empfindlichkeiten zeigen Langzeituntersuchungen an klassischen Esaki-Tunneldioden eine gute Lagerstabilität. Langzeittests an 1960 gefertigten Exemplaren dokumentierten nach rund einem halben Jahrhundert nur eine geringe Abnahme des Peakstroms (<span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle I_{P}}">

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<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle I_{P}}</annotation>

</semantics>

</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/62cf73d06c6f73b7ce35ac8ee4e3bc2042c5384c.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.671ex; width:2.49ex; height:2.509ex;" alt="{\displaystyle I_{P}}" loading="lazy"></span>), die nach den Autoren die praktische Funktion der Dioden kaum beeinträchtigt un am ehesten auf minimale Strukturveränderungen im Bereich des p-n-Übergangs zurückgeführt wird.<sup id="cite_ref-4" class="reference"><a href="#cite_note-4"><span class="cite-bracket">[</span>4<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Anwendungen">Anwendungen</h2></div>

<p>Tunneldioden können bei sehr hohen Frequenzen als <a href="Verst%C3%A4rker_(Elektrotechnik)" title="Verstärker (Elektrotechnik)">Verstärker</a> (bis zu einigen 10 GHz), <a href="Elektronischer_Schalter" title="Elektronischer Schalter">Schalter</a> und <a href="Oszillatorschaltung" title="Oszillatorschaltung">Oszillatoren</a> (bis zu 100 GHz) benutzt werden. Das liegt an dem trägheitsfreien quantenmechanischen Tunnelprozess, der in der Strom-Spannungs-Charakteristik zu erkennen ist.

</p><p>Supraleitende Tunneldioden können als <a href="Phonon" title="Phonon">Phononenemitter</a> oder Phononendetektor verwendet werden.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Siehe_auch">Siehe auch</h2></div>

<ul><li><a href="Josephsonkontakt" class="mw-redirect" title="Josephsonkontakt">Josephsonkontakt</a></li>

<li><a href="Backwarddiode" class="mw-redirect" title="Backwarddiode">Backwarddiode</a></li>

<li><a href="Resonanztunneldiode" title="Resonanztunneldiode">Resonanztunneldiode</a></li></ul>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Literatur">Literatur</h2></div>

<ul><li>L. Esaki: <i>New Phenomenon in Narrow Germanium p-n Junctions</i>, Phys. Rev. 109, S. 603–604; <a href="Digital_Object_Identifier" title="Digital Object Identifier">doi</a>:<span class="uri-handle" style="white-space:nowrap"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://doi.org/10.1103/PhysRev.109.603">10.1103/PhysRev.109.603</a></span>.</li>

<li><a rel="nofollow" class="external text" href="https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/esaki-lecture.pdf">Nobelpreis-Rede von L. Esaki, Long journey into tunneling</a> (PDF; 405 kB)</li></ul>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Einzelnachweise">Einzelnachweise</h2></div>

<li id="cite_note-1"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-1">↑</a></span> <span class="reference-text">L. Esaki, R. Tsu: <cite class="lang" lang="en" dir="auto" style="font-style:italic">Superlattice and Negative Differential Conductivity in Semiconductors</cite>. In: <cite class="lang" lang="en" dir="auto" style="font-style:italic">IBM Journal of Research and Development</cite>. <span style="white-space:nowrap">Band<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>14</span>, <span style="white-space:nowrap">Nr.<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>1</span>, Januar 1970, <a href="Internationale_Standardnummer_f%C3%BCr_fortlaufende_Sammelwerke" title="Internationale Standardnummer für fortlaufende Sammelwerke">ISSN</a> <span style="white-space:nowrap"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://zdb-katalog.de/list.xhtml?t=iss%3D%220018-8646%22&key=cql">0018-8646</a></span>, <span style="white-space:nowrap">S.<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>61–65</span>, <a href="Digital_Object_Identifier" title="Digital Object Identifier">doi</a>:<span class="uri-handle" style="white-space:nowrap"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://doi.org/10.1147/rd.141.0061">10.1147/rd.141.0061</a></span> (englisch, <a rel="nofollow" class="external text" href="http://ieeexplore.ieee.org/lpdocs/epic03/wrapper.htm?arnumber=5391729">ieee.org</a> [abgerufen am 31. Januar 2023]).<span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Ajournal&rfr_id=info:sid/de.wikipedia.org:Tunneldiode&rft.atitle=Superlattice+and+Negative+Differential+Conductivity+in+Semiconductors&rft.au=L.+Esaki%2C+R.+Tsu&rft.date=1970-01&rft.doi=10.1147%2Frd.141.0061&rft.genre=journal&rft.issn=0018-8646&rft.issue=1&rft.jtitle=IBM+Journal+of+Research+and+Development&rft.pages=61-65&rft.volume=14" style="display:none"> </span></span>

</li>

<li id="cite_note-2"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-2">↑</a></span> <span class="reference-text">Leroy L. Chang, Leo Esaki: <cite class="lang" lang="en" dir="auto" style="font-style:italic">Semiconductor Quantum Heterostructures</cite>. In: <cite class="lang" lang="en" dir="auto" style="font-style:italic">Physics Today</cite>. <span style="white-space:nowrap">Band<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>45</span>, <span style="white-space:nowrap">Nr.<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>10</span>, Oktober 1992, <a href="Internationale_Standardnummer_f%C3%BCr_fortlaufende_Sammelwerke" title="Internationale Standardnummer für fortlaufende Sammelwerke">ISSN</a> <span style="white-space:nowrap"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://zdb-katalog.de/list.xhtml?t=iss%3D%220031-9228%22&key=cql">0031-9228</a></span>, <span style="white-space:nowrap">S.<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>36–43</span>, <a href="Digital_Object_Identifier" title="Digital Object Identifier">doi</a>:<span class="uri-handle" style="white-space:nowrap"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://doi.org/10.1063/1.881342">10.1063/1.881342</a></span> (englisch, <a rel="nofollow" class="external text" href="http://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/1.881342">scitation.org</a> [abgerufen am 31. Januar 2023]).<span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Ajournal&rfr_id=info:sid/de.wikipedia.org:Tunneldiode&rft.atitle=Semiconductor+Quantum+Heterostructures&rft.au=Leroy+L.+Chang%2C+Leo+Esaki&rft.date=1992-10&rft.doi=10.1063%2F1.881342&rft.genre=journal&rft.issn=0031-9228&rft.issue=10&rft.jtitle=Physics+Today&rft.pages=36-43&rft.volume=45" style="display:none"> </span></span>

</li>

<li id="cite_note-3"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-3">↑</a></span> <span class="reference-text">Tunnel Diodes, Technical Manual TD-30 RCA, 1963, S. 29 ff.</span>

</li>

<li id="cite_note-4"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-4">↑</a></span> <span class="reference-text">Leo Esaki, Masatoshi Kitamura, Satoshi Iwamoto, Yasuhiko Arakawa: <cite style="font-style:italic">Esaki diodes live and learn</cite>. In: <cite style="font-style:italic">Proceedings of the Japan Academy, Series B</cite>. <span style="white-space:nowrap">Band<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>86</span>, <span style="white-space:nowrap">Nr.<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>4</span>, 2010, <span style="white-space:nowrap">S.<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>451–453</span>, <a href="Digital_Object_Identifier" title="Digital Object Identifier">doi</a>:<span class="uri-handle" style="white-space:nowrap"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://doi.org/10.2183/pjab.86.451">10.2183/pjab.86.451</a></span>, <a class="external mw-magiclink-pmid" rel="nofollow" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20431267?dopt=Abstract">PMID 20431267</a>, <a rel="nofollow" class="external text" href="https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3417806/">PMC 3417806</a> (freier Volltext) – (<a rel="nofollow" class="external text" href="https://www.jstage.jst.go.jp/article/pjab/86/4/86_4_451/_article">jst.go.jp</a> [abgerufen am 19. Oktober 2025]).<span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Ajournal&rfr_id=info:sid/de.wikipedia.org:Tunneldiode&rft.atitle=Esaki+diodes+live+and+learn&rft.au=Leo+Esaki%2C+Masatoshi+Kitamura%2C+Satoshi+Iwamoto%2C+...&rft.date=2010&rft.doi=10.2183%2Fpjab.86.451&rft.genre=journal&rft.issue=4&rft.jtitle=Proceedings+of+the+Japan+Academy%2C+Series+B&rft.pages=451-453&rft.pmc=3417806&rft.pmid=20431267&rft.volume=86" style="display:none"> </span></span>

</li>

</ol>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Weblinks">Weblinks</h2></div>

<div class="sisterproject" style="margin:0.1em 0 0 0;"><div class="noresize noviewer" style="display:inline-block; line-height:10px; min-width:1.6em; text-align:center;" aria-hidden="true" role="presentation"><span class="mw-default-size" typeof="mw:File"><span title="Commons"></span></span></div><b><span class=""><a class="external text" href="https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Tunnel_diodes?uselang=de"><span lang="en">Commons</span>: Tunnel diodes</a></span></b> – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien</div>

<ul><li><a rel="nofollow" class="external text" href="https://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0111022.htm">Tunneldioden / Esaki-Dioden bei Elektronik Kompendium</a></li></ul>

<div>

Normdaten (Sachbegriff): <a href="Gemeinsame_Normdatei" title="Gemeinsame Normdatei">GND</a>: <span class="-print"><a rel="nofollow" class="external text" href="https://d-nb.info/gnd/4186443-8">4186443-8</a></span> </div>

</div></div></div><div><div class="zim-footer">

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</div>

</div></div>

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