На відміну від всіх інших напівпровідникових діодів для виготовлення тунельних діодів використовують вироджені напівпровідники з високою концентрацією домішок N = 10 18 ÷ 10 20 см -3. Внаслідок чого товщина p-n- переходу виявляється малої близько 10 -2 мкм. Крізь такі тонкі потенційні бар'єри можливо туннелирование носіїв заряду.
ВАХ тунельного діода наведена на рис.13. На малюнку відзначені точки, для яких побудовані зонні діаграми. Для спрощення малюнків на зонних діаграмах НЕ зображені джерела живлення.
У діоді без зовнішнього зміщення (точка а) відбувається тунелювання електронів з n- області в p- область і назад. Зустрічні потоки електронів рівні, тому сумарний струм через діод дорівнює нулю.
При невеликому прямому напрузі на тунельному діоді (точка б) енергія електронів в n- області збільшується, і рівні енергії зміщуються вгору. При цьому відбувається переважне туннелирование електронів з n-області в p - область, крім того, виникає невеликий дифузний струм електронів через що знизився потенційний бар'єр.
При прямій напрузі на діоді Uпіка (точка в), коли зайняті електронами рівні енергії в n-області опиняться на одній висоті з вільними енергетичними рівнями в p -область тунельний струм Iпіка стане максимальним.
При подальшому збільшенні прямої напруги (точка г) тунельний струм буде зменшуватися, ток як через зсув рівнів енергії зменшиться кількість електронів здатних туннелировать з n-області в p - область.
Тунельний струм через діод виявиться рівним нулю при напрузі Uвпадіни (точка д), коли для вільних електронів в n-області в p - області не виявиться вільних енергетичних рівнів. Однак при цьому через діод буде проходити прямий струм Iвпадіни. пов'язаний з дифузією електронів через що знизився потенційний бар'єр.
Далі при збільшенні прямої напруги (точка е) прямий струм буде наростати, як у звичайних випрямних діодах.
При зворотній напрузі на тунельному діоді (точка ж) знову виникають умови для тунелювання електронів з p-області в n -область. Виникає при цьому зворотний струм буде рости за абсолютним значенням з ростом за абсолютним значенням зворотної напруги. Можна вважати, що у тунельного діода відбувається тунельний пробій при малих (по абсолютній величині) зворотних напругах.
Таким чином, в інтервалі напруг від Uпіка до Uвпадіни. тунельний діод має негативним диференціальним опором. Як і всякий прилад з негативним диференціальним опором тунельний діод може бути використаний для генерації і посилення електромагнітних сигналів.
Основні параметри тунельних діодів:
1. Піковий струм Iпіка - струм в точці максимуму ВАХ, при якому похідна. Цей струм може становити від десятих часток міліампера до сотень міліампер.
2. Струм западини Iвпадіни - струм в точці мінімуму ВАХ при якому.
3. Ставлення струмів тунельного діода Iпіка / Iвпадіни. Для тунельних діодів з арсеніду галію Iпіка / Iвпадіни ≥10. для германієвих діодів Iпіка / Iвпадіни = 3 ÷ 6.
4. Напруга піку Uпіка - пряма напруга відповідне піковому струму. Для тунельних діодів з арсеніду галію Uпіка = 100 ÷ 150мВ, для германієвих діодів Uпіка = 40 ÷ 60мВ.
5. Напруга западини Uвпадіни - пряма напруга відповідне току западини. Для тунельних діодів з арсеніду галію Uвпадіни = 400 ÷ 500мВ. для германієвих діодів Uвпадіни = 250 ÷ 350мВ.
6. Напруга розчину Uрр - пряма напруга більше напруги западини, при якому струм дорівнює піковому струму.
7. Питома ємність тунельного діода Сд / Iпіка - відношення ємності тунельного діода, яка вимірюється при Iпіка до пікового струму.