半导体PN结的伏安特性与其耗尽层（又称空间电荷区或阻挡层）的情况有很大关系。而耗尽层的宽度和半导体的掺杂浓度有关。低掺杂材料的耗尽层宽，高掺杂材料的耗尽层窄。耗尽层是个绝缘体，其中没有载流子，通常只有外加偏压大到足够克服势垒时，才能让载流子通过。硅的势垒约为0.7V，锗的势垒约为0.3V。在由高掺杂材料形成的PN结中，耗尽层十分窄，它对电子的流动并不构成很大的障碍。因为，只要一个小的正向或反向偏压（没有大到克服势垒）就能使载流子具有足够的能量可以通过耗尽层。这种情形叫作载流子穿透势垒的隧道效应。隧道二极管就是利用这种特性制成的。
（a）隧道二极管的电路符号；（b）等效电路；（c）伏安特性曲线 隧进二极管的电路符号、等效电路及其典型伏安特性曲线如上图所示。由图可见，它与普通二极管的伏安特性曲线大不相同。在很小的正向电压时，电流就开始剧增，直到出现峰点电流Ir、相应的电压为峰点电压Ur以后，电压若再增加，电流反而减小。当电压增加到Uv（称为谷点电压）时，电流达到极小值Iv（称为谷点电流）。此后随着电压的继续增加，电流又迅速增大，这一段特性和普通一极管一样。注意，隧道二极管的特性曲线在P点和V点之间，电压增加将引起电流减小，具有负阻特性。隧道二极管的反向特性也和普通二极管的不同，当反向电压从零略微增加时，电流就很剧烈地增大。
隧道二极管的主要参数有峰流IP、峰压UP、谷流Iv、谷压Uv、峰谷比和结电容等。各种隧道二极管的峰压一般为60mV左右，谷压一般在250~400mV之间。不同型号的隧道二极管，主要差別仅在于峰流、峰谷比及结电容的不同。
隧道二极管等效电路中的Ls为引线电感，Rs为引线和半导体材料的电阻，rd是伏安特性负阻区中典型的负限值，Cd是二极管的结电容。其典型数值一般为：Ls= 1~5μH，Rs=2~5Ω，Cd =10~20pF,，rd = 2Up/Ip（经验值）。当隧道二极管在微波频率上使用时，减小引线电感及与管壳有关的电容值特别重要，为此专门设计了同轴或带状管壳的隧道二极管，其电感Ls可减小到约0.5nH，与管壳有关的电容可做到1pF。
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