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[[Datei:GE 1N3716 tunnel diode.jpg|mini|Tunneldiode vom Typ 1N3716 (links). Rechts oben ein [[Jumper (Elektrotechnik)|Jumper]] mit ca. 3 mm zum Größenvergleich]]
Die '''Tunneldiode''', 1957 entdeckt vom [[Japan|japanischen Wissenschaftl]]er [[Leo Esaki]] (deshalb auch ''Esaki-Diode'' genannt), ist ein [[Hochfrequenz]]-[[Liste elektronischer Bauteile#Halbleiter|Halbleiterbauelement]], das in bestimmten Spannungsbereichen einen [[Differentieller Widerstand|negativ differentiellen Widerstand]] darstellt.<ref>{{Literatur |Autor=L. Esaki, R. Tsu |Titel=Superlattice and Negative Differential Conductivity in Semiconductors |Sammelwerk=IBM Journal of Research and Development |Band=14 |Nummer=1 |Datum=1970-01 |Sprache=en |ISSN=0018-8646 |DOI=10.1147/rd.141.0061 |Seiten=61–65 |Online=http://ieeexplore.ieee.org/lpdocs/epic03/wrapper.htm?arnumber=5391729 |Abruf=2023-01-31}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Leroy L. Chang, Leo Esaki |Titel=Semiconductor Quantum Heterostructures |Sammelwerk=Physics Today |Band=45 |Nummer=10 |Datum=1992-10 |Sprache=en |ISSN=0031-9228 |DOI=10.1063/1.881342 |Seiten=36–43 |Online=http://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/1.881342 |Abruf=2023-01-31}}</ref> 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 [[Schwingkreis]] entdämpft werden ([[Oszillator]]). Sie gehört daher zu den [[Elektrisches Bauelement#Passive und aktive Bauelemente|aktiven dynamischen Bauelementen]].

== Aufbau ==
[[Datei:I-U-Charakteristik einer Tunnel-Diode.svg|mini|Strom-Spannungscharakteristik einer Tunneldiode]]

Sie besteht aus einem [[p-n-Übergang]], bei dem beide Seiten stark [[Dotierung|dotiert]] sind. Eine Vielzahl kommerziell genutzter Tunnel[[diode]]n wird aus einer n-dotierten [[Germanium]]- oder [[Galliumarsenid]]-Schicht hergestellt, in die eine kleinere Schicht aus [[Indium]] [[Legierung|einlegiert]] wird (auch ''Indiumpille'' genannt). Auch [[Silizium]] und [[Galliumantimonid]] wurden schon zur Herstellung genutzt, allerdings ist es bei Verwendung dieser Materialien schwierig, eine akzeptable Gütezahl (ein großes Verhältnis <math>I_P / I_V</math>) zu erreichen.

Die Dotierung der p- und der n-Seite wird so hoch gewählt, dass sie über den effektiven [[Zustandsdichte]]n ''Nv'' und ''Nc'' liegen. Die Zustandsdichten liegen in Bereichen zwischen 1019 und 1021 cm−3. Somit sind die Halbleitergebiete entartet. Die [[Fermi-Energie]] liegt im [[Leitungsband]] des n-[[Halbleiter]]s und im [[Valenzband]] des p-Halbleiters. Das bedeutet, dass sich mit Elektronen besetzte und unbesetzte Bereiche auf (fast) gleichem Potenzial (Energieniveau) befinden, wodurch der [[Tunneleffekt]] eintritt. Wegen der hohen Dotierungen auf beiden Seiten ist die Breite der [[Sperrschicht]] ''W'' bei Nullvorspannung kleiner als 10 [[Meter#nm|nm]]. Deswegen erreicht das [[Elektrostatik|elektrische Feld]] in dieser Region Werte von mehr als 106 V/cm. Die allgemeine Formel für die Sperrschichtbreite ist:

:<math>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}}}</math>

In dieser Formel sind ''ε''H die [[Permittivität]] des Halbleiters, ''U''D ist die Diffusions- und ''U'' die angelegte Spannung, ''q'' ist die [[Elementarladung]] und ''N''A und ''N''D [[Bändermodell#Halbleiter|Akzeptor-]] und [[Bändermodell#Halbleiter|Donator-]]Konzentrationen.

Die obige Grafik zur Strom-Spannungscharakteristik zeigt das kennzeichnende Merkmal der Tunnel-Diode, dass sie im Bereich <math>U_P einen [[Differentieller Widerstand|negativ differentiellen Widerstand]] darstellt, der in diesem Spannungsbereich, anders als gewöhnliche Materialien, bei ansteigender Spannung zu einer absinkenden Stromstärke führt.

Eine ähnliche Funktion, aber mit einem größeren Betriebsbereich, weisen [[Lambda-Diode]]n auf, welche durch eine einfache elektronische Schaltung, bestehend aus [[JFET]]s, nachgebildet werden können.

== Lebensdauer ==
[[Germanium]]-Tunneldioden sind sehr temperaturempfindlich und können beim unvorsichtigen Löten bereits soweit degradieren, dass sie funktionsunfähig werden.
Sowohl Germanium- als auch [[Galliumarsenid|GaAs]]-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 Ip betrieben werden, auch wenn die zulässige Verlustleistung nicht überschritten wird.<ref>Tunnel Diodes, Technical Manual TD-30 RCA, 1963, S. 29 ff.</ref>

Faustformel für die Grenze für sicheren Betrieb:

:<math> \frac{I_\mathrm{avg}}{C_j} = \frac{0{,}5\, \mathrm{mA}}{\mathrm{pF}}</math>

* ''I''avg: Mittlerer Betriebsstrom
* ''Cj:'' Sperrschichtkapazität
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 (<math>I_P</math>), 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.<ref>{{Literatur |Autor=Leo Esaki, Masatoshi Kitamura, Satoshi Iwamoto, Yasuhiko Arakawa |Titel=Esaki diodes live and learn |Sammelwerk=Proceedings of the Japan Academy, Series B |Band=86 |Nummer=4 |Datum=2010 |DOI=10.2183/pjab.86.451 |PMC=3417806 |PMID=20431267 |Seiten=451–453 |Online=https://www.jstage.jst.go.jp/article/pjab/86/4/86_4_451/_article |Abruf=2025-10-19}}</ref>

== Anwendungen ==
[[Bild:Diode-tunnel-EN A-K.svg|mini|Schaltzeichen]]
Tunneldioden können bei sehr hohen Frequenzen als [[Verstärker (Elektrotechnik)|Verstärker]] (bis zu einigen 10 GHz), [[Elektronischer Schalter|Schalter]] und [[Oszillatorschaltung|Oszillatoren]] (bis zu 100 GHz) benutzt werden. Das liegt an dem trägheitsfreien quantenmechanischen Tunnelprozess, der in der Strom-Spannungs-Charakteristik zu erkennen ist.

Supraleitende Tunneldioden können als [[Phonon]]enemitter oder Phononendetektor verwendet werden.

== Siehe auch ==
* [[Josephsonkontakt]]
* [[Backwarddiode]]
* [[Resonanztunneldiode]]

== Literatur ==
* L. Esaki: ''New Phenomenon in Narrow Germanium p-n Junctions'', Phys. Rev. 109, S. 603–604; {{DOI|10.1103/PhysRev.109.603}}.
* [https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/esaki-lecture.pdf Nobelpreis-Rede von L. Esaki, Long journey into tunneling] (PDF; 405 kB)

== Einzelnachweise ==
<references/>

== Weblinks ==
{{Commonscat|Tunnel diodes}}
* [https://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/0111022.htm Tunneldioden / Esaki-Dioden bei Elektronik Kompendium]

{{Normdaten|TYP=s|GND=4186443-8}}

[[Kategorie:Diode]]
[[Kategorie:Verstärkertechnik]]
[[Kategorie:Elektrischer Oszillator]]
[[Kategorie:Halbleiterbauelement]]

Tunneldiode - Versionsgeschichte

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