Полупроводниковый диод обычно пропускает ток только в одну сторону, как дверь с пружиной: в одном направлении открывается легко, в другом — упирается. Но если сильно насытить кристалл примесями, дверь начинает вести себя странно: при обратном напряжении ток не просто течёт, а резко взлетает. Такие диоды называют туннельными, потому что считалось, что электроны проходят сквозь барьер, как призраки сквозь стену, — это и есть квантовое туннелирование.
Авторы новой работы предлагают другой, более приземлённый механизм. Любой тёплый предмет испускает невидимое инфракрасное излучение — так работает тепловизор. Полупроводник при комнатной температуре тоже светится в инфракрасном диапазоне. А сильное легирование создаёт в кристалле множество дефектов — атомы не на своих местах, пустоты. Эти дефекты могут поглощать инфракрасные фотоны и рождать пары электрон-дырка, причём энергии фотона для этого хватает, даже если она меньше ширины запрещённой зоны.
Рождённые таким образом электроны и дырки оказываются вблизи p-n перехода, где существует встроенное электрическое поле. Это поле растаскивает их в разные стороны, создавая обратный ток. При обратном напряжении область перехода расширяется, захватывая больше дефектов, и ток растёт. А при достаточно сильном легировании возникает ещё и лавинное размножение носителей — как снежный ком, который катится с горы и собирает всё больше снега. В результате обратный ток резко увеличивается с напряжением, и обычный диод приобретает характеристики туннельного.
Авторы подчёркивают, что не отрицают квантовое туннелирование полностью. В разных устройствах вклад того или иного механизма может быть больше или меньше. Но предложенное объяснение через инфракрасное излучение и дефекты даёт простую и наглядную картину, которая связывает тепловые свойства кристалла с его электрическим поведением.
Туннельный диод изобрели в 1957 году, и он был первым полупроводниковым прибором, в котором квантовое туннелирование использовалось на практике. Теперь, возможно, его работа объясняется без этого эффекта.