Схема включения туннельного диода. Туннельный диод: принцип работы, характеристики и применение в электронике

Туннельные диоды — TekWiki

Туннельные диоды используются в различных схемах в устройствах Tektronix, выпускаемых с начала 1960-х до 1980-х годов.

Приложения

Туннельные диоды использовались там, где они были желательно иметь быстрое и чистое переключение между двумя состояниями. Они использовались в

• триггерных цепей как триггеров Шмитта,
• схемы развертки и синхронизации как триггеры,
• генераторы импульсов для преобразования сигналов с медленным нарастанием в импульсы с быстрым нарастанием,
• цепей обратного отсчета / синхронизации

Проблемы смещения и сбоя

Характеристики туннельного диода (пиковые и минимальные напряжения и токи) имеют тенденцию к дрейфу.Обычно с этим можно справиться путем регулировки окружающего контура. Иногда полностью выходят из строя туннельные диоды. Замена обычно включает удаление подобного туннельного диода из другого устройства. В сообществе Tek есть люди, у которых могут быть туннельные диоды, которые они могут продать. Германиевые туннельные диоды чрезвычайно чувствительны к перегреву, особенно при паяльных работах. Помните и используйте легкоплавкий припой и соответствующий инструмент для защиты корпуса от перегрева!

Соответствующие отличительные параметры

Было изготовлено много различных типов туннельных диодов.Первичный параметр, который описывает один, — это пиковый ток, который представляет собой ток на вершине холма на кривой ВАХ. Два других важных электрических параметра — это емкость диода и то, сделан ли он из GaAs или Ge. В некоторых схемах другую модель туннельного диода можно заменить с незначительными изменениями в окружающей цепи. Стэн Гриффитс описывает такую ​​модификацию здесь:

Эмуляция с использованием общих частей

Распространенный вопрос заключается в том, можно ли сделать электрический эквивалент туннельного диода из современных, доступные части.Имитировать ВАХ несложно, но нет известной схемы, которая могла бы быть сделана из доступных частей с правильной ВАХ и высокой скоростью переключения реального диода.

Тестирование туннельного диода

Прежде чем сделать вывод о том, что туннельный диод неисправен, важно убедиться, что он был правильно измерен. Высокое сопротивление цифрового мультиметра указывает на неисправность диода. Низкое сопротивление на цифровом мультиметре и низкое напряжение на тестере диодов являются нормальными при измерении туннельного диода.Более тщательный тест туннельного диода заключается в пропускании его через резистор с источником линейного напряжения, наблюдая за напряжением на туннельном диоде. Резистор должен быть рассчитан так, чтобы пиковый ток просто превышал пиковый ток, на который рассчитан туннельный диод. Конечно, если доступен измеритель кривой, он отлично подходит для измерения ВАХ диода (обратите внимание, что часть кривой с отрицательным сопротивлением может не отображаться из-за быстрого прохождения).

Короткая статья в Service Scope 49, апрель 1968 г. описывает установку быстрой проверки, которая аппроксимирует трассировщик кривой с использованием выходного сигнала X пилообразного сигнала осциллографа (см. Раздел фотографий ниже).

Моделирование

Быстрое переключение туннельного диода можно понять, смоделировав его как нелинейный источник тока, управляемый напряжением (VCCS), параллельно с небольшим паразитным конденсатором. Нелинейный VCCS управляется напряжением на выводах диода и отвечает за S-образную кривую ВАХ. (В качестве альтернативы и эквивалентно его можно смоделировать как нелинейное сопротивление.Однако нелинейная модель VCCS может быть предпочтительнее, поскольку она позволяет избежать сбивающее с толку понятие отрицательного сопротивления.) Рассмотрим туннельный диод, смещенный источником постоянного тока, который медленно повышается от нуля до тока, всего на несколько микроампер меньше, чем пиковый ток диода. Напряжение покоя будет чуть меньше пикового напряжения. Обратите внимание, что в этой точке ВАХ почти горизонтальна, и, следовательно, инкрементное сопротивление диода в этой точке очень велико. Для простоты мы можем предположить, что инкрементное сопротивление в этой точке покоя бесконечно.

Оценка скорости переключения

Теперь, когда мы установили начальные условия смещения, давайте посмотрим на событие, когда туннельный диод переключается в состояние. Предположим, что сигнал запуска подается на туннельный диод через резистор. Ток через резистор добавляется к току от источника постоянного тока. Поскольку мы предполагаем, что инкрементное сопротивление диода бесконечно в начальной точке смещения, весь ток, связанный с сигналом запуска, течет в емкость диода и выходит из нее.Если добавлен достаточный заряд, мгновенное напряжение на диоде будет во второй области, где наклон функции VCCS отрицательный.

Когда диод входит во вторую область, увеличение напряжения на диоде вызывает уменьшение тока диода. Применяя закон Кирхгофа по току в узле, где диод встречается с источником постоянного тока, мы можем видеть, что ток, входящий в паразитный конденсатор в любой момент, представляет собой разницу между источником постоянного тока и нелинейным током VCCS при этом мгновенном напряжении.Мы можем использовать этот факт для оценки времени переключения туннельного диода. (Форма перехода также может быть оценена.)

В качестве примера возьмем случай туннельного диода с пиковым током 10 мА и емкостью 5 пФ. Первую оценку времени переключения можно сделать, предположив, что для перехода от От V ₁ до V ₂ необходимо добавить определенное количество заряда к паразитной емкости диода.

Из Q = C * V мы знаем, что ∆ Q = C * ∆ V, что составляет ∆ Q = C * (V ₂ — V ₁ )

С V ₁ = 65 мВ и V ₂ = 465 мВ, ∆ Q = 5 * 10 ^-12 F * 0.4 В = 2 пикокулоны.

Теперь мы смело предполагаем, что зарядный ток во время перехода постоянен и составляет половину пикового тока. 5 мА — это 5 милликулонов в секунду.

t = (2 * 10 ^-12 C) / (5 * 10 ^-3 A) = 0,4 нс

Туннельные диоды, используемые в Tektronix Instruments

• STD615 (152-01-02-00) — Ge, 10 мА, 28 пФ
• TD1081 (152-0099-00) — Ge, 50 мА, 6 пФ
• TD253 (152-0154-00) — Ge, 10 мА, 9 пФ
• TD3A (152-0125-xx) — Ge, 4.7 мА, 18 пФ
• 1N3129 — Ge, 20 мА, 20 пФ
• 1N3130 — Ge, 50 мА, 6 пФ
• 1N3712 — Ge, 1 мА ± 10%, 10 пФ
• 1N3713 — Ge, 1 мА ± 2,5%, 5 пФ
• 1N3714 — Ge, 2,2 мА ± 10%, 25 пФ
• 1N3715 — Ge, 2,2 мА ± 2,5%, 10 пФ
• 1N3716 — Ge, 4,7 мА ± 5%, 50 пФ
• 1N3717 — Ge, 4,7 мА ± 2,5%, 25 пФ
• 1N3718 / TD4 — Ge, 10 мА ± 10%, 90 пФ
• 1N3719 — Ge, 10 мА ± 2,5%, 25 пФ
• 1N3720 — Ge, 22 мА ± 10%, 150 пФ
• 1N3721 — Ge, 22 мА ± 2.5%, 100 пФ
• 152-0140-01 — Ge (?), 10 мА, 8 пФ
• 152-0177-00 / -01 / -02 — Ge, 10 мА, 4,7 пФ
• 152-0181-00 — Ge (?), 1 мА, 5 пФ
• 152-0182-00 — Ge (?), 10 мА, 50 пФ
• 152-0254-01 — Ge, 100 мА, 6 пФ
• 152-0329-00 — Ge (?), 19 мА, 1,5 пФ
• 152-0379-00 — Ge (?), 20 мА, 10 пФ
• 152-0383-00-50 мА, t _r 31 пс
• 152-0386-00 — Ge (?), 10 мА, 25 пФ
• 152-0402-00 — 2,2 мА 25 пФ
• 152-0489-00 — Ge (?), 21 мА, 1.5 пФ
• 153-0040-00 — 50 мА малой емкости
• 153-0400-00 — 50 мА малой емкости

Чтение

Учебники и справочники

Перекрестная ссылка

General Electric

RCA

Другие производители

Изображения

• Проверка туннельного диода на 575

• Проверка туннельного диода со звуковым генератором и 7D20 в режиме X-Y

• Пример быстрой проверки туннельного диода с использованием метода из Service Scope 49, апрель 1968 г.Правый луч масштабируется с задержкой по времени, чтобы показать скорость шага.

• Устройство трассировки кривых Tektronix 571, вольт-амперная характеристика германиевого туннельного диода 10 мА

• TD 253 Туннельный диод от Tek 547

• Туннельные диоды TD253 и TD3A в секции запуска и развертки Tek 547)

• Туннельный диод

  1D2 (2,2 мА) в датчике задержки Tek 547

— определение, символы и работа

Туннель определение диода

А Туннельный диод представляет собой сильно легированный p-n переходной диод, в котором уменьшается электрический ток как напряжение увеличивается.

В туннельный диод, электрический ток вызван «туннелированием». В туннельный диод используется как устройство с очень быстрым переключением в компьютеры. Он также используется в высокочастотных генераторах и усилители.

Символ туннельного диода

Обозначение схемы туннельного диода показано на рисунке ниже. В туннельном диоде p-тип полупроводник действует как анод, а n-тип полупроводник действует как катод.

ср знать, что анод — это положительно заряженный электрод, который притягивает электроны, тогда как катод отрицательно заряжен. электрод, испускающий электроны. В туннельном диоде n-типа полупроводник излучает или производит электроны, поэтому его называют как катод. С другой стороны, полупроводник p-типа притягивает электроны, испускаемые полупроводником n-типа, поэтому Полупроводник p-типа называется анодом.

Что такое туннельный диод?

Туннель диоды являются одними из самых важных твердотельных электронных устройств которые появились в последнее десятилетие. Туннель Диод был изобретен в 1958 году Лео Эсаки.

Лев Эсаки заметил, что если полупроводниковый диод сильно легирован с примесями он будет демонстрировать отрицательное сопротивление.Отрицательный сопротивление означает, что ток через туннельный диод уменьшается когда напряжение увеличивается. В 1973 году Лео Эсаки получил Нобелевская премия по физике за открытие электронного туннелирования эффект, используемый в этих диодах.

А туннельный диод также известен как диод Эсаки, названный в честь Лео Эсаки за работу над туннельным эффектом.Операция туннельного диода зависит от принципа квантовой механики известный как «Туннелирование». В электронике туннелирование означает прямое поток электронов через малую обедненную область из Зона проводимости n-стороны в валентную зону p-стороны.

германий Материал обычно используется для изготовления туннельных диодов. Они есть также сделаны из других материалов, таких как галлий арсенид, антимонид галлия и кремний.

Ширина области обеднения в туннельном диоде

обедненная область — это область в диоде с p-n-переходом, где мобильные носители заряда (бесплатно электроны и дырки) отсутствуют. Область истощения действует как барьер, препятствующий поток электронов из полупроводника n-типа и дырок из полупроводника p-типа.

ширина область обеднения зависит от количества примесей добавлен. Примеси — это атомы, введенные в p-тип и Полупроводник n-типа для увеличения электропроводности.

Если а в диод p-n-перехода добавляется небольшое количество примесей (полупроводник p-типа и n-типа) широкая обедненная область сформирован.С другой стороны, если большое количество примесей добавлен к диоду p-n-перехода, узкая обедненная область сформирован.

В туннельный диод, полупроводники p-типа и n-типа сильно легированные, что означает введение большого количества примесей на полупроводник p-типа и n-типа. Этот тяжелый допинг процесс дает чрезвычайно узкую область истощения.В концентрация примесей в туннельном диоде в 1000 раз больше, чем у нормального диода с p-n переходом.

В нормальный диод с p-n переходом, обедненная ширина велика, как по сравнению с туннельным диодом. Этот широкий слой истощения или Область истощения в нормальном диоде препятствует прохождению тока. Следовательно, истощающий слой действует как барьер. Чтобы преодолеть это барьер, нам нужно подать достаточное напряжение.Когда достаточно подается напряжение, электрический ток начинает течь через нормальный диод p-n перехода.

В отличие от нормальный диод с p-n переходом, ширина обедненного слоя в туннельном диоде крайне узкий. Итак, применяя небольшой напряжения достаточно для выработки электрического тока в туннельном диоде.

Туннель диоды способны оставаться стабильными в течение длительного времени чем обычные диоды с p-n переходом.Они также способны высокоскоростных операций.

Концепт проходки тоннелей

истощение область или обедненный слой в диоде с p-n переходом состоит из положительных и отрицательных ионов. Из-за этих положительных и отрицательные ионы, существует встроенный потенциал или электрический поле в области истощения.Это электрическое поле в область истощения оказывает электрическую силу в направлении противоположно внешнему электрическому полю (напряжению).

Другой вещь нужно помнить, что валентная зона и проводимость зонные энергетические уровни в полупроводнике n-типа незначительно ниже энергетических уровней валентной зоны и зоны проводимости в полупроводнике p-типа.Эта разница в уровнях энергии связано с различием уровней энергии легирующей примеси. атомы (донорные или акцепторные), используемые для образования n-типа и Полупроводник p-типа.

Электрический Текущий в обычном p-n переходе диод

Когда а напряжение прямого смещения приложено к обычному p-n переходу диода ширина обедненной области уменьшается и при этом со временем высота барьера также уменьшается.Однако электроны в полупроводнике n-типа не может проникать через слой истощения, потому что встроенное напряжение истощения слой противодействует потоку электронов.

Если приложенное напряжение больше, чем встроенное напряжение слой обеднения, электроны с n-стороны преодолевают противодействующей силе истощенного слоя, а затем входит в p-сторона.Проще говоря, электроны могут проходить через барьер (обедненный слой), если энергия электронов больше высоты барьера или барьерный потенциал.

Следовательно, ан обычный диод с p-n переходом производит электрический ток, только если приложенное напряжение больше, чем встроенное напряжение область истощения.

Электрический Текущий в туннельном диоде

В туннельный диод, валентная зона и энергия зоны проводимости уровни в полупроводнике n-типа ниже валентного энергетические уровни зоны и зоны проводимости в p-типе полупроводник.В отличие от обычного диода с p-n переходом, Разница в уровнях энергии в туннельном диоде очень велика. Из-за такой большой разницы в уровнях энергии зона проводимости материала n-типа перекрывается с валентная зона материала p-типа.

Квантовая механика говорит, что электроны будут напрямую проникать через слой истощения или барьер, если ширина истощения очень небольшой.

обедненный слой туннельного диода очень мал. Он находится в нанометры. Таким образом, электроны могут напрямую туннелировать через небольшая область обеднения из n-сторонней зоны проводимости в p-сторона валентная зона.

В обычные диоды, ток вырабатывается при подаче напряжения больше, чем встроенное напряжение области истощения.Но в туннельных диодах небольшое напряжение, которое меньше встроенного напряжения области истощения достаточно, чтобы произвести электрический ток.

В туннельные диоды, электроны не должны преодолевать встречные сила из обедненного слоя, чтобы произвести электрический ток. Электроны могут напрямую туннелировать из зоны проводимости n-область в валентную зону p-области.Таким образом, электрические ток вырабатывается в туннельном диоде.

Как туннельный диод работает?

Шаг 1: Несмещенный туннельный диод

Когда на туннельный диод не подается напряжение, он называется несмещенный туннельный диод. В туннельном диоде зона проводимости материал n-типа перекрывается с валентной зоной материал p-типа из-за сильного легирования.

Потому что этого перекрытия электроны зоны проводимости на n-стороне и дырки валентной зоны на стороне p имеют почти одинаковую энергию уровень. Поэтому, когда температура увеличивается, некоторые электроны туннель из зоны проводимости n-области в валентную полоса p-области. Подобным образом дыры туннелируют от валентная зона p-области к зоне проводимости n-области.

Однако чистый текущий поток будет равен нулю, потому что равное количество носители заряда (свободные электроны и дырки) текут в противоположном направлении. направления.

Шаг 2: Небольшое напряжение, приложенное к туннельному диоду

Когда а на туннельный диод подается небольшое напряжение, которое меньше чем встроенное напряжение обедненного слоя, нет прямого ток течет через переход.

Однако небольшое количество электронов в зоне проводимости n-область будет туннелировать в пустые состояния валентной зоны в р-области. Это создаст небольшой туннель прямого смещения. Текущий. Таким образом, туннельный ток начинает течь с небольшой приложение напряжения.

Шаг 3: Приложенное напряжение немного увеличено

Когда напряжение, подаваемое на туннельный диод, немного увеличивается, большое количество свободных электронов на n-стороне и дырок на p-стороне генерируются.Из-за увеличения напряжения перекрытие зоны проводимости и валентной зоны составляет выросла.

В простыми словами, уровень энергии n-сторонней зоны проводимости становится в точности равным энергетическому уровню валентности на стороне p. группа. В результате протекает максимальный туннельный ток.

Шаг 4: Приложенное напряжение дополнительно увеличивается

Если приложенное напряжение увеличивается, небольшое смещение зона проводимости и валентная зона.

С зона проводимости материала n-типа и валентность лента из материала p-типа внахлест порога. Электронный туннель из зоны проводимости n-области в валентную зону p-области и вызывают небольшой ток. Таким образом, туннелирование ток начинает уменьшаться.

Шаг 5: Приложенное напряжение значительно увеличено

Если приложенное напряжение значительно увеличивается, туннелирование ток падает до нуля.В этот момент зона проводимости и валентные зоны больше не перекрываются и туннельный диод работает таким же образом, как и обычный диод с p-n переходом.

Если это приложенное напряжение больше встроенного потенциала истощенного слоя начинается регулярный прямой ток протекает через туннельный диод.

часть кривой, на которой ток уменьшается по мере того, как напряжение увеличивается область отрицательного сопротивления туннеля диод.Область отрицательного сопротивления является наиболее важной. и наиболее широко используемая характеристика туннельного диода.

А туннельный диод, работающий в области отрицательного сопротивления, может может использоваться как усилитель или генератор.

Преимущества из туннельные диоды

• Долговечность
• Высокоскоростной операция
• Низкий уровень шума
• Низкое энергопотребление расход

Недостатки из туннельные диоды

• Тоннель массовое производство диодов невозможно
• Быть двойником оконечное устройство, вход и выход не изолированы от друг друга.

Приложения из туннельные диоды

• Тоннель диоды используются в качестве запоминающих устройств логической памяти.
• Туннель диоды используются в схемах релаксационных генераторов.
• Туннель диод используется как сверхбыстрый переключатель.
• Туннель диоды используются в FM-приемниках.

Типы диодов

различные типы диодов следующие:

1. стабилитрон диод
2. Лавинный диод
3. Фотодиод
4. Свет Излучающий диод
5. Лазер диод
6. Туннель диод
7. Шоттки диод
8. Варактор диод
9. П-Н переходной диод

Туннельный диод, сентябрь 1960 г., Popular Electronics

Изобрел Лео Эсаки в туннельный диод (он же диод Эсаки) в 1957 году во время работы в Sony (в то время Tokyo Tsushin Kogyo). Туннельные диоды имеют очень узкий, сильно легированный p − n-переход всего около 10 нм. (100 Å) шириной, которая показывает разорванную запрещенную зону, где электроны зоны проводимости на стороне n примерно совмещены с отверстиями валентной зоны на стороне p и тем самым облегчая квантово-механический процесс туннелирования, после которого диод назван.Отрицательное дифференциальное сопротивление в части их рабочего диапазона делает они полезны для генераторов высокой частоты. Эта статья в издании 1960 г. Popular Electronics знакомит с характеристиками и возможностями устройства. использует. В нем указана цена на туннельный диод в то время, когда она была Диапазон от 5 до 15 долларов с учетом того, что в будущем цены упадут. 5 долларов в 1960 год был эквивалентен примерно 44 долларам сегодня (за BLS). Интересно, если вы хотите купить туннельный диод сегодня, вам, вероятно, придется найти старый сток на на eBay или Amazon, так как я не мог найти никого, кто продает новые акции (Digi-Key, Newark, Mouser и др.).Некоторые люди специально использовали сконфигурированные транзисторные схемы как источники отрицательного сопротивления, но это много работы и компонентов, чтобы заменитель типа диода, который, как определила промышленность, не нужен.

Туннельный диод

Дональд Л. Стоунер, W6TNS

Новейший из полупроводников, туннельный диод уникальна в своей области. Узнайте, почему он уникален, затем создайте простой передатчик и заставить его работать.

К настоящему времени почти все слышали о туннельном диоде, последнем «чуде» от полупроводниковая промышленность.Хотя туннель связан с лампой и транзистором, диод обычно имеет только два вывода. Но он отличается от других двухполюсников. устройства (резисторы, конденсаторы и т. д.) особым образом. Подайте напряжение к резистору, например, и вы можете определить ток по закону Ома. Увеличивать напряжение на резисторе, и ток, протекающий через резистор, будет увеличение пропорции. Но с туннельным диодом дело обстоит иначе.

Эффект, который привел к практическому построению этого уникального полупроводника. был обнаружен докторомЛео Эсаки, гениальный японский ученый. Доктор Эсаки решил что необычное легирование перехода германиевый диод вызовет протекание тока уменьшаться, даже если приложенное напряжение было увеличено. Этот эффект, известный как отрицательное сопротивление, позволяет туннельному диоду совершать свои необычные подвиги.

Теория туннельных диодов.

Чтобы понять термин отрицательное сопротивление и его причины, давайте изучим Более знакомый объект — электронная лампа тетрода.

Рис.1 — Схема вакуумной трубки тетрода (A) отображает кривые (B) несколько похоже на туннельный диод. См. Текст.

Рис. 2 — Прямая характеристика туннельного диода. В отрицательном сопротивлении Диапазон крутизны, ток через диод уменьшается, даже если напряжение на диоде увеличивается.

Рис. 3 — Типовая схема кварцевого генератора с туннельным подключением диод. R _int обозначает внутреннее сопротивление батареи.

Рис. 4 — Линия нагрузки для типичного генератора с туннельным диодом. Нагрузка должна быть как можно меньше, чтобы диод ограничивался участком с отрицательным сопротивлением. кривой.

Рис.5 — Источник питания с низким внутренним сопротивлением для туннеля диодные схемы. Дренаж через резистор RI тяжелый, но неизбежен из-за необходимости дизайн.

На рисунке 1 (A) показана вакуумная лампа тетрода с фиксированным напряжением экрана 200 вольт. и напряжение на пластине, которое может изменяться от 0 до 300 вольт.Контроль трубки сетка заземлена, так как нам не нужен входной сигнал на тетрод для целей этого примера.

Давайте изменим напряжение на пластине от 0 до 300 вольт и запишем изменения в ток пластины тетрода, как показано на миллиамперметре — см. Рис. 1 (B). Примечание что ток пластины увеличивается обычным образом по мере увеличения напряжения пластины пока напряжение на пластине не достигнет значения около 100 вольт.

В этот момент происходит своеобразное явление из-за вторичного излучения от пластина — ток пластины уменьшается с увеличением напряжения пластины.Это уменьшение в пластине ток с увеличением напряжения пластины называется отрицательным сопротивлением, которое хорошо известная характеристика тетродов. Когда напряжение на пластине достигает значения напряжения экрана, 200 вольт в этом примере, ток пластины увеличивается как перед.

Отрицательное сопротивление явно противоречит закону Ома. Если бы мы применили постоянно увеличивающееся напряжение на резисторе, например, ток через резистор увеличится пропорционально.Если мы зайдем так далеко, резистор в конечном итоге уйдет в дым. Но в этом случае неуклонно увеличивается напряжение на пластине тетрода приводит к неуклонно уменьшающемуся току. Тетрод в в этом примере действительно наблюдается отрицательное сопротивление при напряжении на пластине около 100 и 200 вольт.

Теперь, когда мы знаем, что такое отрицательное сопротивление, вернемся к туннельному диоду. Наклон прямой характеристики туннельного диода очень похож на пластинчатая характеристика тетрода.См. Рис. 2. Обратите внимание на то, что напряжение на диоде положительно увеличивается от нуля до Vp, кривая туннельного диода аналогична кривой для любого обычного полупроводникового или лампового диода. Однако на Vp мы достигаем пиковое напряжение отрицательного сопротивления склона туннельного диода. Теперь ток туннельного диода уменьшается по мере увеличения напряжения на нем до тех пор, пока достигается потенциал Vv, напряжение впадины. В этот момент диод возвращается в исходное состояние. обратно к типу, и ток увеличивается при повышении напряжения выше Vv.От работая туннельным диодом на участке его кривой с отрицательным сопротивлением, мы можем заставить его функционировать как осциллятор отрицательного сопротивления, как и приведенный выше тетрод.

Типовая схема.

На рисунке 3 показана типичная схема кварцевого генератора, ставшая возможной благодаря разработке туннельного диода. Фактически, любое устройство отрицательного сопротивления (трубка тетрода, работающая при напряжении пластины значительно ниже напряжения ее экрана, например, как обсуждалось ранее) может быть использован; это устройство известно как генератор отрицательного сопротивления.

Одно из самых больших преимуществ этой схемы, известное как генератор Dynatron. в ламповом исполнении — это присущая ему простота — требуется только источник питания, устройство отрицательного сопротивления и настроенная схема. Хотя схема относительно неустойчив в отличие от других осцилляторов, его колебательные свойства зависят исключительно от об использовании устройства отрицательного сопротивления между батареей B1 и настроенной схемой L1-C2.

В зависимости от импеданса настроенной цепи L1-C2, схема на рис.3 будет работать как усилитель или генератор. Чтобы колебаться, диод срабатывает. точка должна быть в области отрицательного сопротивления, а полное сопротивление L1-C2 должно быть больше отрицательного сопротивления диода.

Одним из факторов, которые следует учитывать при выборе туннельного диода, является внутреннее сопротивление аккумулятор, R _int . Это сопротивление эквивалентно резистору пластинчатой ​​нагрузки. в ламповой схеме. На рисунке 4 показаны типичные линии нагрузки, которые возможны для генератор на туннельном диоде.Обратите внимание, что все линии нагрузки проводятся из точки Vb, которая напряжение источника питания. Фактическая стоимость _рэнд важна для нас. Мы знаем, что внутреннее сопротивление всегда будет присутствовать, поэтому сопротивление нуля невозможно на практике. Если R _int слишком велик, туннельный диод будет работать на положительной части своего наклона, чего мы хотим избежать. Следовательно, желательно, чтобы сопротивление было как можно ближе к нулю.

Современные туннельные диоды имеют отрицательное наклонное сопротивление от 20 до 40 Ом, и R _int должны быть порядка 10 Ом или меньше для генератора. цепь для работы.Действие C1 на рис. 3 способствует уменьшению внутреннего сопротивление B1. Однако маломощный спускной резистор, подключенный параллельно с C1 значительно улучшит работу схемы.

На рисунке 5 показан источник питания с низким внутренним сопротивлением, который можно использовать для питания туннельно-диодные схемы. Если у вас есть низковольтный источник питания (один для питания транзисторов является идеальным), его можно использовать вместо схемы, показанной на рис. 5. Сухие элементы не могут быть использованы с большим успехом, потому что их напряжение и внутреннее сопротивление слишком высоко.Если через сухую ячейку установить дренаж, большие токи, проходящие через сухую ячейку, будут через резистор приведет к неуклонному увеличению внутреннего сопротивления в сухая ячейка. В экспериментальных целях можно использовать сухие элементы, если они Размер D или больше и являются новыми. Однако их можно использовать только в течение короткого времени.

Создание передатчика.

Чтобы лучше понять, на что способен туннельный диод, давайте попробуем экспериментальный подключение с помощью миниатюрного или «Micro-QRP» 80- или 40-метрового передатчика.Несмотря на то туннельный диод — маломощный прибор, такой передатчик способен доставлять полезный сигнал. Передатчик с туннельным диодом «Micro-QRP» ​​работает от напряжения около 0,6 вольт. при 1,8 мА или примерно один входной милливатт. Он управляется кристаллами на любом диапазоны 80 или 40 метров, но могут использоваться на любой частоте от 3,5 до 10 мс. с указанными значениями.

В туннельно-диодном передатчике всего девять рабочих компонентов — ключ Джек, 1.5-вольтовая батарея, потенциометр на 1000 Ом, резистор на 100 Ом, 0,01 мкФ. дисковый конденсатор, электролитический конденсатор на 200 мкФ, 3 В, туннельный диод и катушка и кристалл. См. Рис. 6.

Установите компоненты в корпусную коробку размером 1 5/8 дюйма x 2 3/4 дюйма x 2 1/8 дюйма. устанавливается на лицевую панель вместе с потенциометром смещения; катушка, кристалл, и туннельный диод смонтированы на верхней части шасси; аккумулятор находится под шасси и поддерживается выводами, припаянными к клеммам.

Рис. 6 — Схема работы туннельно-диодного передатчика для работы от 3,5 до 10 мк. Аккумуляторный блок питания
(заштрихованная часть) можно заменить с поставкой, показанной на Рисунке 5, если это необходимо.

Большой наконечник для пайки должен быть установлен под катушкой и использоваться как общий клемма заземления для всего передатчика. Важно, чтобы оба дисковых конденсатора вернуться к этому моменту с очень короткими выводами.

Обратите внимание на соединения контактов туннельного диода.

Гнездо счетчика подключено необычным образом, чтобы исключить необходимость в двухпозиционный переключатель. Используйте двухконтактный разъем, при этом корпус должен быть заземлен на корпус. В внешний контакт подключается к минусовой клемме батареи, а центральный контакт подключен к катушке. Когда вставляется штекер счетчика, он замыкает внешний штифт на шасси, замыкая тем самым цепь батареи. Схема туннельного диода (через катушка) комплектуется счетчиком.

Туннельные диоды 1N2939 и 1N2940 General Electric подключаются к стандартному транзистору. socket и поэтому с ними легко работать.RCA TD-100, с другой стороны, будет должны быть изменены путем обрезки части свинца из золотой фольги, чтобы получился «штифт» каждого терминала; обязательно удалите достаточно материала, чтобы «штифт» подошел плотно в гнезде захвата. После установки туннельного диода подключите «Micro-QRP». передатчик, как показано на рис. 6, и вы готовы его проверить.

Подключите миллиамперметр, как показано на принципиальной схеме; любой метр от 5 и 15 ма.полный размер сделаю. Установите потенциометр смещения на минимальное сопротивление. конец вращения и подключить счетчик. Показание должно быть немного больше 0,01 мА. По мере вращения потенциометра ток будет увеличиваться. Когда глюкометр показывает 1-3 ма. (в зависимости от того, какой тип туннельного диода вы используете), показания внезапно будут перейти на более низкий ток. Точка, в которой происходит падение, называется пиковым током; значение, до которого опускается счетчик, называется током впадины.Между этими две точки — это область нестабильного или отрицательного сопротивления, в которой колеблется диод.

Настроив приемник связи на частоту кристалла, вы сможете слышать сигнал, генерируемый передатчиком «Micro-QRP». Поместите моток проволоки от терминала антенны приемника рядом с передатчиком, и вы сможете «привязать» S-метр.

Обмотав 5-витковую перемычку соединительного провода вокруг катушки, передатчик может грузиться к антенне.Никаких претензий к дальности передачи не предъявляется по малым единицы, поскольку это почти полностью зависит от навыков экспериментатора.

Туннельный диодный передатчик настраивается с помощью внешнего мультиметра. для определения области отрицательного сопротивления диода.

Некоторые туннельные диоды не «взлетают» так же легко, как другие типы. В зависимости от ваш диод, вам может потребоваться прикоснуться к клемме катода в какой-то момент между диодом и катушкой через небольшой конденсатор, регулируя при этом потенциометр смещения.Статическое электричество на вашем теле потрясет цепь передатчика и начать колебаться. Как только у вас будет правильная генерация схемы, вы можете отрегулировать катушка для максимального сигнала.

Эксперименты

Вы также можете использовать туннельный диод для демонстрации компьютерной коммутации. Вы обнаружите, что при одной конкретной настройке потенциометра смещения диод будет переключаться между пиком и впадиной всякий раз, когда вы шокируете анод (между диодом и плечом потенциометра).Статическое электричество вашего тела действует так же, как информация, поступающая на диод в компьютере.

Хотя счетчик движется довольно медленно, диод переключается из одного состояния в другое. другие со скоростью молнии. Фактически, коммутационная характеристика этого уникальный диод возникает практически со скоростью света — 186 000 миль в секунду! В компьютеров, туннельный диод способен принять «решение» за меньшее время, чем свет должен пройти с этой страницы к вашим глазам!

А туннельный диод может стоить от 5 долларов.00 и 15,00 $ прямо сейчас, это будет прослужит всю жизнь (если вы не наступите на него) и может использоваться каждый раз, когда новая схема выносится.

Опубликовано 9 декабря 2019 г. (оригинал 29.03.2013)

Туннельный диод — обзор

2.1 Периодические структуры

Туннелирование частицы через потенциальный барьер — одно из наиболее изученных явлений в квантовой теории материи, играющее важную роль во многих полупроводниковых устройствах.В частности, туннельный диод или диод Эсаки , открытый Эсаки [9] в 1958 году, включает туннелирование через смещенный вперед сильно легированный (вырожденный) переход в германии. Одной из важных характеристик диода Эсаки было то, что он обладал отрицательным дифференциальным сопротивлением (NDR), что делало возможным его применение в качестве высокочастотного генератора [10]. В физике твердого тела NDR можно использовать для разработки усилителя переменного тока, который в сочетании с правильно спроектированной цепью положительной обратной связи может быть преобразован в генератор.Таким образом, важным применением материалов, демонстрирующих NDR, является создание высокочастотных генераторов (обычно для микроволнового диапазона частот). Этот эффект наблюдается в некоторых полупроводниках, когда структура зоны проводимости имеет особые свойства. Примером является GaAs, где минимум зоны проводимости происходит в центре зоны Бриллюэна, а также есть минимумы зоны проводимости в других точках зоны Бриллюэна, отстоящих от края зоны примерно на 0,3 эВ.

В качестве способа достижения этого условия в любом полупроводнике Эсаки и Цу [11] предложили в 1970 году изготовление искусственной периодической структуры , состоящей из чередующихся слоев двух разнородных полупроводников с толщиной слоя порядка нанометров.Они назвали эту синтетическую структуру сверхрешеткой (SL) и предположили, что искусственная периодичность «складывает» исходные зоны Бриллюэна составляющих объемных материалов в меньшие зоны Бриллюэна или «мини-зоны» по причинам симметрии, уже обсуждавшимся. в разделе 1.3 главы 1. Длина искусственной периодичности может быть меньше длины свободного пробега электронов и длины волны де Бройля. Они предполагали два типа синтезированных SL: легирующие и композиционные, в зависимости от того, был ли потенциал SL вводится посредством периодического изменения примесей или состава, соответственно, во время эпитаксиального роста.В 1973 году Цу и Эсаки [12] предположили, что NDR также может быть достигнут в SL, но только несколько лет спустя NDR был обнаружен в GaAs / Ga _{1- x} Al _x As SL [13]. К тому времени SL уже открыли новую область междисциплинарных исследований в области материаловедения и физики устройств, став активной областью исследований с широким спектром приложений.

С развитием более сложных методов выращивания теперь возможно изготавливать не только SL-структуры, представленные Эсаки и Цу, но также и многие другие типы полупроводниковых структур, часто с толщиной слоя в нанометровом масштабе (и поэтому обычно называемые как наноструктур ).Одна из причин, по которой интерес к наноструктурам в последнее время усилился, заключается в том, что их электронные, оптические, колебательные и магнитные свойства существенно изменены в результате их пониженной размерности, масштабов длины и их искусственной симметрии.

SL — это разновидность плоской или двумерной наноструктуры в том смысле, что она все еще обладает трансляционной симметрией в направлениях, параллельных плоским границам раздела. Другими примерами 2D-наноструктур являются так называемые структуры с квантовыми ямами (QW) и множественными квантовыми ямами (MQW), сформированные из двух полупроводниковых материалов.КЯ представляет собой систему с двойным гетеропереходом [14], в которой тонкий слой одного материала (например, GaAs) зажат между двумя толстыми слоями другого материала (например, Ga _{1– x} Al _x Что касается подходящая концентрация Al x ∼ 0,3). В этом случае границы раздела резкие и эпитаксиальные (т.е.материалы согласованы по решетке), поэтому электронные состояния представляют собой состояния с прямоугольным потенциалом, соответствующим толщине слоя GaAs (который представляет область с более низким потенциалом).МКЯ похожи по конструкции на SL, предложенные Эсаки и Цу, в том смысле, что они состоят из большого количества гетеропереходов между чередующимися слоями двух материалов (например, GaAs и Ga _{1− x} Al _x As ). Однако расстояния между квантовыми ямами (толщина барьеров Ga _{1– x} Al _x As в этом примере) достаточно велики, чтобы препятствовать туннелированию электронов из одной ямы в другую [14]. Напротив, в SL Эсаки и Цу электроны туннелируют через барьеры, так что они видят чередующиеся слои как периодический потенциал в дополнение к потенциалу кристалла.

В настоящее время термин SL имеет тенденцию довольно широко применяться к любой многослойной структуре, которая сформирована из двух или более материалов, так что существует периодичность (и, следовательно, трансляционная симметрия для структуры) в направлении роста, перпендикулярном направлению роста. планарные интерфейсы. Примерами являются повторы базовой «элементарной ячейки» AB для образования двухкомпонентного SL, соответствующего ⋯ ABABABAB ⋯, или повторы ABC для образования трехкомпонентного SL, соответствующего ABC ABC ABC ⋯ (где A, B и C представляют собой слои из разных материалов).По-прежнему существует двумерная симметрия, параллельная плоским границам раздела, которая согласуется со структурой решетки составляющих материалов.

Другие структуры с еще меньшей размерностью недавно были изготовлены и успешно исследованы (см., Например, [15]). К ним относятся одномерные наноструктуры, называемые квантовыми проволоками , и кристаллиты нанометрового размера, известные как квантовых точек (фактически нульмерные наноструктуры), а также тонкие пленки с различными наноразмерными рисунками, нанесенными на поверхность (например.грамм. травлением или ионно-лучевой техникой).

На рис. 2.1 схематически изображена бесконечная двоичная SL, состоящая из чередующейся структуры ⋯ ABABABAB ⋯. Здесь средний A , представляющий скважину (например, GaAs), имеет толщину a , а средний B , представляющий барьер (Ga _{1- x} Al _x Как, например) , имеет толщину б. Каждая элементарная ячейка помечена индексом n ( n = любое целое число) и имеет длину L = a + b .С этой длиной будет связана новая «мини-зона Бриллюэна» (см. Раздел 1.3) с компонентой волнового вектора, соответствующей −π / L≤k≤π / L.

Рис. 2.1. Геометрия двухкомпонентной SL бесконечной протяженности, состоящей из слоев сред A и B . Элементарные ячейки структуры обозначены целым числом n.

Зонная диаграмма указанной выше полупроводниковой структуры изображена на рис. 2.2. Поскольку ширина запрещенной зоны скважины A ( E _gA ) в этом случае меньше, чем у барьера B ( E _gB ), края зоны проводимости и валентной зоны A и B, не совпадают друг с другом.Разница между краями их зон известна как смещение зон, создавая потенциал, ответственный за удержание носителей (электронов и / или дырок) только в одном слое. Таким образом, контроль и понимание этого смещения полосы имеет решающее значение при изготовлении устройств квантового ограничения. Хотя наше текущее понимание того, что определяет сдвиг полосы в двух разнородных полупроводниках, все еще неполно, тем не менее, большой прогресс был достигнут в технологиях изготовления, позволяющих контролировать форму неоднородности полосы [16].

Рис. 2.2. Схематическая диаграмма энергетических зон, показывающая области удержания электронов или дырок (пунктирные линии) в периодической бинарной СР, образованной двумя полупроводниками A и B с запрещенными зонами E _gA и E _gB соответственно. Также показаны смещения зон проводимости (ΔEc) и валентности (ΔEv).

Можно также найти более сложные структуры СЛ, включающие полупроводники с различными легировками.Примером является случай, когда один слой представляет собой полупроводник типа n , а другой слой — полупроводник типа p , и на стыках между ними имеется собственный слой (обозначается буквой i ), тем самым формируя так называемый doping SL или nipi SL [17]. Эта структура слоев показана на рис. 2.3, где материалы A, и C являются полупроводниками, легированными n, и p, , толщиной a, и c , соответственно, а материалы B, и . D — это внутренние полупроводники (или изоляторы), толщина которых составляет b и d соответственно.Элементарные ячейки теперь имеют длину L = a + b + c + d и, как и раньше, обозначены индексом n .

Рис. 2.3. Схематическое изображение полупроводника nipi SL периода L . Элементарные ячейки SL снова индексируются целым числом n .

По историческим причинам мы ввели понятие SL с точки зрения электронных свойств полупроводниковых материалов.Однако в настоящее время периодические СР и их возбуждения изучаются для широкого круга различных немагнитных и магнитных материалов (см., Например, [18]), о чем мы поговорим в следующих главах.

Туннельный диод, рабочий, конструкция, эквивалентная схема, применение | Примечания D&E

Этот диод был впервые представлен доктором Лео Эсаки в 1958 году. Он называется туннельным диодом, потому что из-за его чрезвычайно тонкого обедненного слоя электроны могут туннелировать через потенциальный барьер при относительно низком напряжении прямого смещения (менее 0.05 В). такие диоды обычно изготавливаются из германия, арсенида галлия (GaAs) и антимонида галлия (GaSb).

Обычно используемые условные обозначения диода показаны на рисунке. 1. С ним следует обращаться осторожно, потому что, поскольку оно маломощное, оно может быть легко повреждено нагреванием и статическим электричеством.

Строительство

Это двухконтактный диод с высокой проводимостью, имеющий плотность легирования примерно в 1000 раз выше, чем у обычного диода с переходом.Это сильное легирование дает три необычных эффекта:

1. Во-первых, он уменьшает ширину обедненного слоя до крайне малого значения (около 0,00001 мм).

2. Во-вторых, он снижает обратное напряжение пробоя до очень небольшого значения (приближающегося к нулю), в результате чего диод кажется пробитым из-за любого обратного напряжения.
3. В-третьих, он производит участок отрицательного сопротивления на V / I характеристиках диода.

В / I Характеристика

Это показано на рис. 2. Как видно, прямое смещение вызывает немедленную проводимость, т.е. как только прикладывается прямое смещение, возникает значительный ток. Ток быстро возрастает до своего пикового значения I _P , когда приложенное прямое напряжение достигает значения V _P (точка A). При дальнейшем увеличении прямого напряжения ток диода начинает уменьшаться до тех пор, пока не достигнет своего минимального значения, называемого током впадины I _В , соответствующего напряжению впадины V _В (точка B).Для напряжений, превышающих V _V , ток снова начинает увеличиваться, как и в любом обычном переходном диоде.

Как видно из рис. 2, между точкой пика A и точкой впадины B ток уменьшается с увеличением приложенного напряжения. Другими словами, туннельный диод в этой области имеет отрицательное сопротивление (-R _N ). Фактически, это наиболее полезное свойство диода. Вместо поглощения энергии отрицательное сопротивление производит мощность.Предлагая потери в компонентах контура бака L и C , такое отрицательное сопротивление допускает колебания. Следовательно, туннельный диод используется в качестве генератора очень высокой частоты.

Еще один момент, который стоит отметить, это то, что это сопротивление увеличивается при переходе от точки A к B , потому что с увеличением напряжения ток продолжает уменьшаться, что означает, что отрицательное сопротивление диода продолжает расти.

Теория туннелирования

При нулевом прямом смещении уровни энергии электронов проводимости в области перехода N- немного не совпадают с уровнями энергии дырок в области P . Когда прямое напряжение немного увеличивается, уровни электронов начинают выравниваться с уровнями дырок на другой стороне перехода, что позволяет некоторым электронам пересекаться. Такой вид пересечения перекрестков называется туннелированием.

Когда напряжение увеличивается до пикового напряжения ( В _P ), все электроны зоны проводимости в области N могут переходить в валентную зону в области P , потому что две зоны точно выровнены.

Следовательно, максимальный ток (называемый пиковым током I _P ) протекает в цепи

После В _P по мере увеличения приложенного напряжения ток начинает уменьшаться, потому что две полосы начинают постепенно выходить из выравнивания. Он достигает минимального значения (называемого током впадины I _В ), когда они полностью не совмещены при прямом смещении В _В (напряжение впадины).

Для напряжений, превышающих В _В , ток снова начинает увеличиваться точно так же, как и в случае обычного диода с P-N переходом.

Туннелирование происходит намного быстрее, чем обычное пересечение, что позволяет туннельному диоду включаться и выключаться намного быстрее, чем обычный диод. Вот почему туннельный диод широко используется в специальных приложениях, требующих очень высоких скоростей переключения, таких как высокоскоростная память компьютера, высокочастотные генераторы и т. Д.

Параметры диода

1. Отрицательное сопротивление (-R _N ),
   Это сопротивление, предлагаемое диодом в пределах участка отрицательного сопротивления его характеристики (показано заштрихованным на рис. 2). Оно равно обратной величине крутизны характеристики в этой области.

Его также можно найти из следующего соотношения R _N = — dV / dI.

Его значение зависит от используемого полупроводникового материала (от -10 Ом до -200 Ом).

1. I

   _P / I _V Передаточное отношение

Это почти такой же важный фактор (особенно для компьютерных приложений), как отрицательное сопротивление диода.

имеют низкое соотношение I _P / I _V , равное 3: 1, и их отрицательное сопротивление может быть приблизительно равно R _N = — 200 / I _P . Такие диоды используются в основном для коммутации при высоких температурах окружающей среды.

Германиевые диоды имеют соотношение I _P / I _V 6: 1 и формулу отрицательного сопротивления R _N = -120 / I _P .

(используемые исключительно в генераторах) имеют соотношение I _P / I _V около 10: 1 и отрицательное сопротивление, почти такое же, как у кремниевых диодов.

Минимальное соотношение I _P / I _V для GaSb-диода составляет около 12: 1 и имеет самое низкое сопротивление из всех, заданных R _N = -60 / I _P . Следовательно, у таких диодов самый низкий уровень шума.

Эквивалентная схема

Эквивалентная схема туннельного диода представлена ​​на рис.3. Емкость C — это диффузионная емкость перехода (от 1 до 10 пФ), а (-R _N ) — отрицательное сопротивление. Катушка индуктивности L _S связана в основном с клеммными выводами (от 0,1 до 4 нГн). Сопротивление R _S связано с выводами, омическим контактом и полупроводниковыми материалами (1 — 5 Ом). Эти факторы ограничивают частоту использования диода. Они также важны при определении предела скорости переключения.

Смещение диода

Туннельный диод должен быть смещен от некоторого источника постоянного тока для фиксации его точки Q на его характеристике при использовании в качестве усилителя или генератора и модуляции.

Диод обычно смещен в отрицательной области (рис. 3 a). В приложениях смесителя и релаксационного генератора он смещен в области положительного сопротивления, ближайшей к нулю (рис. 3b).

Приложения

Туннельный диод обычно используется для следующих целей:

1. В качестве сверхвысокоскоростного переключателя благодаря туннельному механизму, который, по сути, действует как скорость света. Он имеет время переключения порядка наносекунд или даже пикосекунд / 900 · 10
2. Как запоминающее устройство логической памяти — за счет трехзначной характеристики его кривой от тока.
3. Как СВЧ-генератор на частоте около 10 ГГц — из-за его чрезвычайно малой емкости и индуктивности, а также отрицательного сопротивления.
4. В цепях релаксационного генератора — из-за его отрицательного сопротивления. В этом отношении он очень похож на однопереходный транзистор.

Преимущества и недостатки

1. Низкий уровень шума
2. Удобство эксплуатации
3. Высокая скорость
4. Низкое энергопотребление
5. Нечувствительность к ядерному излучению

Недостатки

1. Диапазон напряжения, в котором он может работать должным образом, составляет 1 В или меньше:
2. Будучи двухполюсным устройством, он не обеспечивает развязку между входными и выходными цепями.

Туннельный диод — работа, характеристики, применение

Что такое туннельный диод?

Туннельный диод — это сильно легированный диод с p-n переходом. Туннельный диод показывает отрицательное сопротивление. Когда значение напряжения увеличивается, ток уменьшается. Туннельный диод работает на основе туннельного эффекта.

На следующем изображении показан символ туннельного диода.

Лео Эсаки изобрел туннельный диод в августе 1957 года. Поэтому его также называют диодом Эсаки.Материалы, используемые для этого диода, — германий, арсенид галлия и другие кремниевые материалы. Туннельный диод показывает отрицательное сопротивление в своем рабочем диапазоне. Таким образом, его можно использовать как усилитель, генераторы и в любых схемах переключения.

Ширина области истощения в туннельном диоде

Когда подвижные носители заряда отсутствуют как свободные электроны, так и дырки, область в p-n-переходе имеет область, называемую областью истощения. Чтобы остановить поток электронов из полупроводника n-типа и дырок из полупроводника p-типа, обедненная область действует как барьер.

В зависимости от количества добавленных примесей ширина обедненной области варьируется. Для увеличения электропроводности добавлены примеси полупроводников p-типа и n-типа. Когда в диод с p-n переходом добавляется меньшее количество примесей, образуется широкая и большая область обеднения. В то же время при добавлении большего количества примесей возникает узкая область обеднения.

Полупроводники p-типа и n-типа сильно легированы в туннельном диоде из-за большего количества примесей.Сильное легирование приводит к узкой обедненной области. По сравнению с обычным диодом с p-n переходом, туннельный диод имеет малую ширину обеднения. Следовательно, при приложении небольшого напряжения в туннельном диоде образуется достаточный электрический ток.

Эффект туннелирования

В электронике туннелирование известно как прямой поток электронов через небольшую обедненную область из зоны проводимости n-стороны в валентную зону p-стороны. В диоде с p-n-переходом как положительные, так и отрицательные ионы образуют обедненную область.Благодаря этим ионам в обедненной области присутствует встроенный электрический потенциал или электрическое поле. Это электрическое поле создает электрическую силу в направлении, противоположном приложенному извне напряжению.

По мере уменьшения ширины обедненного слоя носители заряда могут легко пересекать переход. Носителям заряда не требуется кинетическая энергия для перемещения через соединение. Вместо этого перевозчики пробивают стык. Этот эффект называется туннелированием, и поэтому диод называется туннельным диодом.

Из-за туннелирования, когда значение прямого напряжения низкое, значение генерируемого прямого тока будет высоким. Он может работать как с прямым, так и с обратным смещением. Из-за высокого уровня допирования он может работать с обратным смещением. Из-за уменьшения барьерного потенциала уменьшается и величина обратного напряжения пробоя. Достигает нулевого значения. Из-за этого небольшое обратное напряжение приводит к пробою диода. Следовательно, это создает область отрицательного сопротивления.

Рабочий феномен туннельного диода

Несмещенный туннельный диод

В несмещенном туннельном диоде на туннельный диод не будет подаваться напряжение.Здесь из-за сильного легирования зона проводимости полупроводника n-типа перекрывается с валентной зоной материала p-типа. Электроны со стороны n и дырки со стороны p перекрываются друг с другом, и они будут на одном уровне энергии.

Некоторые электроны туннелируют из зоны проводимости n-области в валентную зону p-области при повышении температуры. Точно так же дырки будут перемещаться из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области. Наконец, чистый ток будет равен нулю, поскольку равное количество электронов дырки текут в противоположном направлении.

P α e (-A * E * b * W)

P — Вероятность того, что частица пересечет барьер

W — Ширина барьера

E — Энергия барьера

Малое напряжение, приложенное к туннельный диод

Когда небольшое напряжение, которое имеет меньшее значение, чем встроенное напряжение обедненного слоя, подается на туннельный диод, прямой ток через переход отсутствует. Тем не менее, минимальное количество электронов из зоны проводимости n-области начнёт туннелировать в валентную зону p-области.

Следовательно, это движение создает небольшой туннельный ток прямого смещения. При подаче небольшого напряжения начинает течь туннельный ток.

Повышенное напряжение, приложенное к туннельному диоду

Когда величина приложенного напряжения увеличивается, количество свободных электронов, генерируемых на стороне n, и дырок на стороне p также увеличивается. Из-за увеличения напряжения также увеличивается перекрытие между полосами.

Максимальный туннельный ток протекает, когда уровень энергии зоны проводимости n-стороны и уровень энергии валентной зоны p-стороны становятся равными.

Дальнейшее увеличение напряжения, приложенное к туннельному диоду

Дальнейшее увеличение приложенного напряжения вызовет небольшое смещение зоны проводимости и валентной зоны. Тем не менее, будет перекрытие между зоной проводимости и валентной зоной. Электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону p-области. Следовательно, это вызывает протекание небольшого тока. Следовательно, туннельный ток начинает уменьшаться.

Сильно повышенное напряжение, приложенное к туннельному диоду

Туннельный ток будет равен нулю при увеличении приложенного напряжения до максимума.На этих уровнях напряжения валентная зона и зона проводимости не перекрываются. Это заставляет туннельный диод работать так же, как диод с PN переходом.

Когда приложенное напряжение превышает встроенный потенциал обедненного слоя, прямой ток начинает течь через туннельный диод. В этом состоянии токовая часть кривой уменьшается с увеличением напряжения, и это отрицательное сопротивление туннельного диода. Такие диоды, работающие в области отрицательного сопротивления, используются как усилитель или генератор.

Характеристики V-I туннельного диода

Из-за прямого смещения из-за сильного легирования в диоде происходит проводимость. Максимальный ток, которого достигает диод, равен Ip, а приложенное напряжение — Vp. Текущее значение уменьшается, когда прикладывается большее количество напряжения. Ток продолжает уменьшаться, пока не достигнет минимального значения.

Малое минимальное значение тока — Iv. Из приведенного выше графика видно, что ток от точки A к точке B уменьшается с увеличением напряжения.Это область отрицательного сопротивления диода. В этой области туннельный диод производит мощность, а не поглощает ее.

Применение туннельного диода

• Туннельный диод может использоваться в качестве переключателя, усилителя и генератора.
• Поскольку он показывает быстрый отклик, он используется как высокочастотный компонент.
• Туннельный диод действует как запоминающее устройство логической памяти.
• Используются в схемах генераторов и в FM-приемниках. Поскольку это слаботочное устройство, оно больше не используется.

1958: туннельный диод обещает высокоскоростной полупроводниковый переключатель | Кремниевый двигатель

На конференции в июне 1958 года в Брюсселе Лео Эсаки сообщил о новом диоде, который он разработал в Sony, в котором ток уменьшался по мере увеличения напряжения, эффективно демонстрируя «отрицательное сопротивление». Эсаки или туннельный диод, названный в честь квантово-механического туннельного эффекта, который он использует, обеспечивает высокую скорость переключения при очень низком энергопотреблении.Хотя он отговаривал молодого Роберта Нойса от реализации аналогичной идеи, записанной в его лабораторной записной книжке в августе 1956 года, председатель конференции Уильям Шокли приветствовал ее развитие и предсказал ее широкое использование в компьютерах. В 1973 году Эсаки, к тому времени сотрудничавший с IBM, получил Нобелевскую премию за свою новаторскую работу по туннелированию электронов в твердых телах. Хотя диод Эсаки нашел полезные нишевые приложения, он так и не реализовал свои первые обещания. Как дискретное устройство, оно не могло конкурировать с интегральными схемами, которые были достаточно быстрыми и предлагали значительные преимущества в стоимости, надежности и плотности упаковки.

Многие другие разработки в области полупроводников были встречены с большими ожиданиями, но позже их затмили более дешевые решения. К ним относятся запоминающие устройства с магнитным пузырем и устройства с зарядовой связью (ПЗС). Изобретенные в Bell Labs и широко используемые сегодня в качестве датчиков изображения, ПЗС-матрицы изначально предназначались Fairchild, Intel и другими для приложений с последовательной памятью высокой плотности. Другое изобретение Bell Labs, магнитные пузыри, использовало методы обработки полупроводников для создания магнитных доменов, способных энергонезависимо хранить данные в гранатовом материале.В конце 1970-х годов Intel, Rockwell и Texas Instruments, а также Fujitsu и Hitachi в Японии создали пузырьковые устройства памяти емкостью до 1 мегабита. Обе технологии нашли раннее применение, но не смогли поспевать за ростом стоимости и плотности памяти с вращающимся диском.

• Эсаки, Л., Физика твердого тела в электронике и телекоммуникациях, Труды Международной конференции по физике твердого тела , Брюссель, 1958 (Дезирант, М.and Michels, J. L., ed.), Vol. 1, Полупроводники, Часть I, Academic Press (1960), стр. 514.
• Есаки, Лев. «Долгое путешествие в туннелирование», Нобелевская лекция, 12 декабря 1973 г., опубликованная в журнале Reviews of Modern Physics , Vol. 46 (1974), стр. 237 также в Нобелевских лекциях по физике 1971-1980 годов, редактор Стиг Лундквист (World Scientific Publishing Co., 1992).

• Есаки, Лео. «Открытие туннельного диода», IEEE Transactions on Electron Devices , Vol.ED-23, № 7 (июль 1976 г.), стр. 644-647.
• Дейси, Г. «Свойства (туннельные) диодов Esaki: обзор», Конференция по твердотельным схемам. Сборник технических документов . 1960 IEEE International Vol. III (февраль 1960 г.), стр. 6-7.
• Берлин, Лесли. Человек за микрочипом . (Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета, 2005 г.) стр. 66.
• Берлин, Лесли и Кейси, Х. Крейг-младший «Роберт Нойс и туннельный диод», IEEE Spectrum (май 2005 г.