Схема включения туннельного диода. Туннельный диод: принцип работы, характеристики и применение в электронике — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое туннельный диод и как он работает. Какими уникальными свойствами обладает туннельный диод. Где применяются туннельные диоды в современной электронике. Как проверить работоспособность туннельного диода.

Содержание

Что такое туннельный диод и его особенности

Туннельный диод — это особый тип полупроводникового диода, обладающий уникальными характеристиками. Основные особенности туннельного диода:

Очень узкий p-n переход (в десятки раз тоньше, чем у обычных диодов)
Высокая концентрация примесей в полупроводнике
Наличие участка отрицательного дифференциального сопротивления на вольт-амперной характеристике
Способность проводить ток в обоих направлениях
Очень высокое быстродействие (переключение за единицы наносекунд)

Благодаря этим свойствам туннельные диоды нашли применение в сверхвысокочастотной технике и импульсных устройствах.

Принцип работы туннельного диода

Работа туннельного диода основана на квантовом туннельном эффекте. При малом прямом напряжении (до 0.1-0.2 В) происходит туннелирование электронов через узкий p-n переход, что приводит к резкому росту тока. При дальнейшем увеличении напряжения ток начинает падать из-за уменьшения вероятности туннелирования. Этот участок падения тока и является областью отрицательного сопротивления.

Как выглядит вольт-амперная характеристика туннельного диода

ВАХ туннельного диода имеет характерную N-образную форму:

Участок роста тока при малых напряжениях (до 0.1-0.2 В)
Участок падения тока (область отрицательного сопротивления)
Участок обычной прямой ветви диода

Именно наличие участка отрицательного сопротивления определяет уникальные свойства туннельного диода.

Основные параметры и характеристики туннельных диодов

При выборе туннельного диода учитывают следующие ключевые параметры:

Ток пика (Ip) — максимальный прямой ток
Напряжение пика (Up) — напряжение, соответствующее току пика

Ток впадины (Iv) — минимальный ток в области отрицательного сопротивления
Напряжение впадины (Uv) — напряжение, соответствующее току впадины
Отношение токов пика и впадины (Ip/Iv)
Емкость диода
Время переключения

Эти параметры определяют возможности применения туннельного диода в различных схемах.

Области применения туннельных диодов в электронике

Благодаря своим уникальным свойствам, туннельные диоды нашли применение в следующих областях:

Сверхвысокочастотные генераторы и усилители (до сотен ГГц)
Быстродействующие ключевые и импульсные схемы
Генераторы и детекторы в радиолокации
Преобразователи частоты
Триггеры и логические элементы
Стабилизаторы напряжения

В современной электронике туннельные диоды часто заменяются другими компонентами, но в некоторых специфических применениях они остаются незаменимыми.

Как проверить работоспособность туннельного диода

Проверка туннельного диода требует осторожности, так как он чувствителен к перегрузкам. Основные методы проверки:

Измерение статической ВАХ с помощью характериографа
Проверка наличия отрицательного сопротивления специальным тестером
Проверка в реальной схеме генератора

Важно помнить, что обычный мультиметр не подходит для проверки туннельных диодов из-за риска повреждения прибора.

Преимущества и недостатки туннельных диодов

Туннельные диоды обладают рядом преимуществ и недостатков по сравнению с другими полупроводниковыми приборами:

Преимущества:

Сверхвысокое быстродействие (единицы наносекунд)
Работа на СВЧ (до сотен ГГц)
Низкое энергопотребление
Устойчивость к ионизирующему излучению

Недостатки:

Сложность изготовления
Высокая стоимость
Чувствительность к перегрузкам
Ограниченная мощность

Эти особенности определяют специфические области применения туннельных диодов.

Схемы включения туннельных диодов

Существует несколько основных схем включения туннельных диодов:

Последовательное включение с индуктивностью — для генераторов
Параллельное включение с емкостью — для усилителей
Включение с резистивной нагрузкой — для ключевых схем

Выбор схемы включения зависит от конкретного применения и требуемых характеристик устройства.

Перспективы развития и применения туннельных диодов

Несмотря на то, что во многих областях туннельные диоды вытеснены другими компонентами, они продолжают развиваться:

Разработка новых материалов для повышения рабочих частот
Создание интегральных схем на основе туннельных диодов
Применение в квантовых вычислениях
Использование в терагерцовой электронике

Уникальные свойства туннельных диодов обеспечивают им перспективы применения в передовых областях электроники и физики.

Как устроен туннельный диод: характеристики, принцип работы, маркировка

Туннельный диод обладает особыми характеристиками, отличающими его от обычных диодов и стабилитронов. Если диоды и стабилитроны хорошо пропускают ток только в одну сторону (в обратную – только в области пробоя), то туннельный диод способен хорошо проводить ток в обе стороны. Это свойство обеспечивают особенности устройства туннельного диода: очень узкий p-n переход и значительное количество присадок.

Содержание статьи

История создания туннельного диода

Эта деталь была предложена в 1956 году японским ученым Л. Есаки. Для ее изготовления использовался германий или арсенид галлия с большим количеством присадок, обладающих низким удельным сопротивлением.

Арсенид галлия оказался более перспективным материалом. При производстве туннельных диодов используются: доноры – олово, сера, теллур, свинец, селен, а также акцепторы – кадмий и цинк.

Применяются германиевые полупроводники, в которых: доноры – мышьяк и фосфор, а акцепторы – алюминий и галлий. Примеси вводят в состав диода путем вплавления или диффузии.

Особенности и принцип действия туннельного диода

Туннельные диоды с чрезвычайно малым сопротивлением относят к группе вырожденных. Для них характерны:

электронно-дырочный переход – в десятки раз тоньше, по сравнению с обычными диодными устройствами;
потенциальный барьер – в 2 раза выше относительно стандартных полупроводниковых деталей;
наличие напряженности поля даже при отключении питающего напряжения – 106 В/см.

Уникальные свойства туннельного диода проявляются в его вольтамперной характеристике (ВАХ) при прямом смещении в полупроводнике.

На схеме видно, что на отрезке А ток растет с увеличением напряжения. На участке В полупроводник проявляет отрицательное сопротивление (туннельный эффект), приводящее к тому, что при росте вольтовой характеристики ток снижается.

На отрезке С прибор снова обеспечивает прямую зависимость между током и напряжением.

Туннельные диоды предназначены для работы как раз на отрезке, для которого характерно отрицательное сопротивление. Небольшое повышение напряжения выключает его, а снижение – включает.

Основные параметры туннельных диодов

При выборе этого полупроводника учитывают:

ток пика – максимальный ток прямого направления;
пиковое напряжение, характерное для тока пика;
минимальный ток (ток впадины) и характерное для него напряжение;
напряжение скачка – максимальный перепад напряжений;
емкость – емкость между выводами полупроводника при определенной вольтовой характеристике смещения.

Маркировка туннельных диодов и их обозначение на схеме

В обозначении диодов присутствует несколько позиций (обычно 5). Первой идет буква или цифра. Цифры 1, 2, 3 обозначают, что диод предназначен для военного применения (имеет более широкий температурный рабочий интервал, по сравнению со стандартными полупроводниками).

На первой позиции может стоять буква, указывающая на материал, используемый при изготовлении детали: Г – германий, А – арсенид галлия. Вторая позиция показывает класс полупроводника, Д – обозначает «диод». На третьей позиции отображают характеристики мощности или частоты. Четвертая – двух- или трехзначный серийный номер. В конце обозначения производитель предоставляет дополнительную информацию.

Цветовая маркировка диодовОбозначение туннельного диода на схемах

Области применения

Параметры туннельного диода обеспечивают его использование в следующих областях:

в качестве высокоскоростного выключателя;
в роли усилителя, в котором повышение напряжения вызывает более значительный рост тока, по сравнению со стандартными диодными устройствами;
для получения и усиления электромагнитных колебаний;
в радиоэлектронных переключающих и импульсных устройствах различного назначения, для которых актуально высокое быстродействие.

Преимущества и недостатки

Плюсы туннельных диодов:

особая вольтамперная характеристика в определенном интервале напряжений;
уникальное быстродействие, малая инерционность;
устойчивость к ионизирующему излучению;
сниженное потребление электроэнергии от источника электропитания.

Все туннельные диоды имеют компактные размеры. Часто они представляют собой изделия в герметичных корпусах цилиндрической формы диаметром 3-4 мм, высотой 2 мм и массой менее 1 грамма.

Существенным недостатком полупроводников этого типа является значительное старение, которое приводит к изменению их свойств, а следовательно, к нарушению нормальной функциональности устройства. «Туннельники» могут утратить прежние параметры не только из-за превышенных рабочих режимов, но даже из-за длительного хранения, после чего они превращаются в «обращенные» полупроводники. Такое обстоятельство часто становится причиной некорректного функционирования промышленных осциллографов.

Существуют и «обращенные» полупроводники промышленного изготовления. От туннельных они отличаются меньшей концентрацией примесей, хотя общий принцип функционирования у них одинаковый.

Как проверить туннельный диод на работоспособность

Проверять работоспособность ТД авометром – комбинированным прибором для измерения тока, напряжения и частоты – запрещено, поскольку полупроводники некоторых групп могут выйти из строя. Если неизвестна принадлежность детали к определенной категории, то безопасней использовать генераторный пробник, позволяющий контролировать работоспособность туннельного диода в активном режиме.

Была ли статья полезна?

Да

Нет

Оцените статью

Что вам не понравилось?

Другие материалы по теме

Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.

принцип работы, схемы и т.д.

Туннельный диод — это специальный диод, характеристики которого отличаются от характеристик любого обычного диода или стабилитрона.

Как обычный диод, так и стабилитрон являются очень хорошими проводниками, имея прямое смещение, но ни один из них не проводит хорошо ток в состоянии обратного смещения (исключение составляет область пробоя). Но в материале туннельного диода имеются присадки в гораздо большем объеме, нежели в обычном диоде, а его P-N переход очень узкий. Туннельный диод в силу того, что имеет большое количество присадок и очень узкий P-N переход, исключительно хорошо проводит ток в обе стороны.

Схема туннельного диода

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип действия туннельного диода

Потенциал, который необходим для того, чтобы заставить туннельный диод выступать в роли проводника, будь то в режиме прямого или обратного смещения, очень невелик, обычно этот потенциал находится в диапазоне милливольт. Именно поэтому туннельные диоды известны как приборы с низким сопротивлением. Они очень слабо противодействуют движению тока в цепи.

График напряжение-ток типичного туннельного диода

Самой уникальной особенностью туннельных диодов является их соотношение напряжение-ток, когда они имеют прямое смещение. Когда туннельный диод имеет прямое смещение (от точки А до точки В на графике) при увеличении напряжения, ток также растет до определенной величины. Как только это значение оказывается достигнутым, дальнейшее повышение напряжения при прямом смещении заставляет ток снижаться до минимального значения (от точки В до точки С). В области, которая находится на графике между максимальным и минимальным потоками тока, туннельный диод имеет отрицательное сопротивление. В этой области отрицательного сопротивления ток, идущий через туннельный диод, фактически снижается при повышении напряжения. Происходит прямо противоположное обычному соотношению напряжение ток. Однако, когда напряжение за точкой С повышается, то данный прибор демонстрирует обычное соотношение напряжения и тока.

В обычных условиях туннельные диоды работают в области своего отрицательного сопротивления. В данной области незначительное уменьшение напряжения включает этот прибор, а небольшое повышение — выключает его. В качестве такого своеобразного выключателя туннельный диод может использоваться либо как генератор, либо как высокоскоростной выключатель: специфическая особенность прибора, низкое сопротивление, позволяет почти мгновенно изменять внутреннее сопротивление. Туннельные диоды могут также использоваться в качестве усилителей, где изменения в подаваемом напряжении в сторону повышения, вызывают пропорционально более значительные изменения тока в цепи.

Генераторы и усилители на диодах

Полупроводниковые диоды достаточно редко используются в качестве основных элементов генераторных и усилительных узлов. Являясь в большинстве своем чисто пассивными компонентами, они просто не могут выступать в роли источника тока или напряжения, необходимых для любого генератора или усилителя. Однако существует достаточно немногочисленный ряд случаев, когда при применении полупроводниковых диодов определенных типов (туннельные диоды, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды, параметрические диоды) возможно построение диодных усилительных и генераторных схем.

Такие полупроводниковые приборы как: туннельные диоды, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды объединяет одно свойство — наличие на ВАХ прибора при определенных условиях участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. В каждом из названных приборов физические эффекты, обусловливающие появление такого участка различны. В туннельном диоде — это резкий спад туннельного эффекта при росте напряженности электрического поля в полупроводнике выше некоторого критического значения, в диоде Ганна — особенности зонной структуры арсенида-галлия, в лавинно-пролетном диоде — специфика лавинного пробоя при высоких частотах приложенного напряжения. Следует отметить, что названные случаи не являются единственными. Примером может служить широко известный и популярный в 30-х гг. кристадин Лосева, также представлявший собой полупроводниковый диод введенный в особый режим пробоя.

На сегодняшний день набольшее распространение получили диодные автогенераторы диапазона СВЧ. В них используются диоды Ганна и лавинно-пролетные диоды. При определенных условиях такие генераторы могут быть преобразованы в усилители и использоваться для резонансного усиления СВЧ сигналов. Однако ввиду повышенного уровня шумов и практической нерациональности усилители на диодах Ганна и лавинно-пролетных диодах применяются крайне редко.

Особый вид усилительных устройств диапазона СВЧ — это т.н. параметрические усилители. Они строятся на основе специальных параметрических диодов. Принцип работы таких усилителей очень близок к тому, как работают описанные выше диодные смесители. На параметрический диод, также как и в смесителях, подается два сигнала. При определенном согласовании этих сигналов и правильном выборе режима работы диода удается на нелинейной проводимости или емкости диода осуществить перераспределение мощности падающих сигналов в пользу одного из них (полезного). Одновременно возможно и преобразование частоты этого сигнала. Параметрические усилители диапазона СВЧ очень сложны в настройке и достаточно нестабильны. Их основное достоинство — уникально низкий уровень шумов. Поэтому они чаще всего используются в радиотелескопах и системах дальней космической связи.

Наибольший интерес и практическую ценность могут представлять туннельные диоды. Генераторные и усилительные устройства на их основе могут быть использованы в радиоприемниках, радиомикрофонах, измерительной аппаратуре и т.п.

Упрощенная схема автогенератора на туннельном диоде представлена на рис. 3.6-42.

Рис. 3.6-42. Упрощенная схема автогенератора на туннельном диоде

Так как на ВАХ туннельного диода имеется участок с отрицательным сопротивлением устойчивым по напряжению, то при подключении к нему параллельного колебательного контура он может генерировать. При этом отрицательное сопротивление диода будет компенсировать потери, и в контуре могут возникнуть и поддерживаться незатухающие колебания. Современные туннельные диоды могут генерировать на частотах до 1 ГГц и более. Однако из-за небольшой величины участка ВАХ диода с отрицательным сопротивлением мощность, отдаваемая им на любых частотах, составляет доли милливатт. Чтобы форма генерируемых колебаний не искажалась, как правило, применяют частичное включение диода в контур генератора. Основным условием генерации является превышение величины сопротивления потерь контура над величиной отрицательного сопротивления туннельного диода. Учитывая, что параллельное сопротивление потерь в реальных колебательных контурах значительно превышает отрицательное сопротивление туннельного диода, используется частичное включение диода в контур (через отвод катушки).

На внутреннем сопротивлении источника смещения будет выделяться часть мощности генерируемых колебаний, поэтому оно должно быть как можно меньше. Поскольку требуемая величина напряжения смещения очень мала (например, для германиевых туннельных диодов порядка 0,1…0,15 В), питание туннельных диодов обычно осуществляется от делителя напряжения (рис. 3.6-43). Однако это может привести к неэкономному расходованию мощности источника питания (что важно для сверхминиатюрных устройств). Поэтому для питания туннельных диодов следует применять источники с возможно более низким выходным напряжением. Выходное сопротивление делителя напряжения выбирают в пределах 5…10 Ом, и только в устройствах, где требуется наибольшая экономичность, его можно повысить до 20…30 Ом. Отрицательное сопротивление туннельного диода должно превышать сопротивление делителя в 5…10 раз. Шунтировать столь малые сопротивления конденсаторами для уменьшения потерь высокочастотной энергии нецелесообразно, так как в ряде случаев это может привести к неустойчивой работе генератора, особенно, если его режим подбирался по максимуму отдаваемой мощности. Следует учитывать, что для стабильной работы генератора нужно поддерживать стабильное положение рабочей точки диода. При изменении величины питающего напряжения хотя бы на 10 % (например, из-за разрядки химического элемента питания) нормальная работа генератора может нарушиться. Иногда целесообразно использовать предварительно стабилизированное напряжение или применять в делителе нелинейные сопротивления (в верхнем плече стабилизирующие ток, а в нижнем — напряжение). Так, если в схеме автогенератора (рис. 3.6-43) вместо сопротивления R2 применить маломощный германиевый диод в прямом включении, как это показано на рис. 3.6-44, стабильность работы генератора улучшится, и при изменении напряжения питания в пределах 1…1,5 В никаких дополнительных регулировок не потребуется.

Рис. 3.6-43. Схема автогенератора на туннельном диоде с питанием от делителя напряжения

Рис. 3.6-44. Схема автогенератора на туннельном диоде с нелинейным сопротивлением в цепи питания

Все упомянутые выше способы стабилизации напряжения несколько усложняют схемы, а в ряде случаев увеличивают потребляемую мощность, поэтому широкого применения они не находят. В реальной аппаратуре туннельные диоды чаще всего применяются совместно с транзисторами. Известно, что у транзистора ток эмиттера сравнительно мало зависит от напряжения питания коллектора, особенно если смещение транзистора стабилизировано каким-либо способом. Поэтому при питании диода эмиттерным током транзистора можно получить выигрыш не только в стабильности, но и в экономичности. Последняя повышается здесь из-за того, что потери на верхнем плече делителя устраняются, а дополнительная мощность, потребляемая туннельным диодом, невелика.

На рис. 3.6-45, 3.6-46, 3.6-47 представлены три примера применения генератора на туннельном диоде. При проектировании таких генераторов следует стремиться получить максимальную добротность колебательного контура с тем, чтобы увеличить мощность, отдаваемую в нагрузку.

Рис. 3.6-45. Простейший передатчик на туннельном диоде

Рис. 3.6-46. Улучшенная схема передатчика на туннельном диоде

Рис. 3.6-47. Гетеродин на туннельном диоде

Для увеличения мощности можно также включить два или большее число диодов в схему генератора (рис. 3.6-48). При этом диоды лучше всего соединять по постоянному току последовательно. Тогда напряжение на нижнем сопротивлении делителя должно быть вдвое больше, чем для одного туннельного диода, т.е. потери на верхнем плече уменьшаются. Нужно иметь ввиду, что сопротивление нижнего плеча должно обязательно состоять из двух одинаковых сопротивлений, а их средняя точка должна быть соединена по постоянному току со средней точкой двух диодов. В противном случае, устойчивая работа двух соединенных последовательно диодов невозможна. По переменному току можно соединить диоды параллельно или последовательно. В схеме приведенной на рис. 3.6-48 каждый диод подключен к отдельной обмотке. Чтобы получить наибольшую мощность, связь каждого диода с контуром следует регулировать индивидуально.

Рис. 3.6-48. Автогенератор на двух туннельных диодах

Генератор на туннельном диоде может строиться и с применением кварцевого резонатора, задающего частоту колебаний. Пример такой схемы приведен на рис. 3.6-49.

Рис. 3.6-49. Автогенератор на туннельном диоде с кварцевым резонатором

< Предыдущая		Следующая >

Опыты с аналогом туннельного диода / Хабр

Помимо туннельного диода, интересно провести ряд экспериментов с его функциональным аналогом, известным уже несколько десятилетий. Он подобен эмулятору на медленном железе: и квантовых эффектов настоящих нет, и быстродействие не то. Но ВАХ аналогична, как и поведение устройства в схеме.

Из КДПВ можно сделать вывод, что аналог представляет собой двухполюсник, внутри которого находится некая несложная схема. Вот она:

Автор пробовал применять транзисторы 2N3904 и 2N2222, но оказалось, что 2N4401 работают лучше. Свойства аналога можно варьировать, подбирая резистор R6. Схема импровизированного характериографа — всё та же:

И всё так же она измеряет по одному каналу суммарное напряжение на «диоде» и резисторе, а по другому — только на резисторе. Падение напряжения только на «диоде» можно определить вычитанием. А зная напряжение на резисторе, можно рассчитать ток.

Характериограф работает одинаково независимо от формы вырабатываемых генератором колебаний. Частоту автор выставил порядка 100 Гц. Аналог значительно «крепче» настоящего туннельного диода: можно не бояться вывести его из строя статикой, слегка превышенным напряжением с генератора, слишком долгой пайкой. Характеристика получилась следующей:

Отрицательное сопротивление на том практически линейном участке ВАХ, где оно есть (от 1,55 до 3,0 В), приблизительно равно -64 Ом. Ток при увеличении напряжения в этих пределах падает от 27,2 до 4,4 мА. При дальнейшем увеличении напряжения ток слегка возрастает.

Генератор на аналоге туннельного диода получается, если просто включить последовательно с ним колебательный контур и подать питание:

Расчётная частота получилась равной 5,033 кГц, реальная — 5,11 кГц. Генератор работает в диапазоне напряжений питания от 1,6 до 3,6 В, наилучшая форма колебаний получается при 3,6 В. Но при напряжении выше 2,6 В генератор не самозапускается, то есть, надо сначала запустить его при меньшем напряжении, которое затем плавно увеличить до оптимального. Амплитуда колебаний превышает напряжение питания: при 3,5 В она равна 4,3 В.

Конденсатор параллельно питанию при такой низкой частоте необязателен.

Усилитель напряжения на аналоге туннельного диода совсем необычен: он питается усиливаемым сигналом, и амплитуда на выходе получается чуть больше, чем на входе. Чтобы получить такой усилитель, достаточно добавить к устройству два резистора: 51-омный уменьшает выходное сопротивление генератора до 25 Ом, 30-омный — нагрузочный:

Подаём прямоугольные импульсы, подстраиваем амплитуду, и внезапно видим:

Амплитуда на входе — 1,26 В, на выходе — 1,84 В.

Конечно, чуда не произошло, автор добавил к входному сигналу и отрегулировал некий «offset». Очевидно, в имеющемся у него генераторе есть функция смещения сигнала вверх добавлением к нему постоянной составляющей. За счёт этого выходная амплитуда и получилась больше входной, хотя в схеме отсутствуют любые ёмкости и индуктивности, кроме паразитных. Но усиление по переменной составляющей налицо.

Изучаем туннельный диод на примере 3И306М / Хабр

В современной электронике туннельные диоды вытеснены компонентами, более удобными для решения тех же задач. Но почему бы не поэкспериментировать с активным элементом, который когда-то считался одним из самых быстродействующих?

Туннельные диоды делятся на предназначенные для усилителей, импульсных генераторов и ключевых схем. Согласно даташиту, диоды серии 3И306 предназначены для применения в переключающих устройствах. На графике показана зависимость падения напряжения на диоде от тока через него на прямом участке ВАХ:

Характериограф у автора импровизированный, он состоит из сигнал-генератора, 10-омного резистора и осциллографа. При этом возникает ошибка: один канал осциллографа измеряет суммарное напряжение на всей последовательной цепи из диода и резистора, а другой — только на резисторе (по второму из этих напряжений можно косвенно определить ток). Рассчитать падение напряжения только на диоде можно, экспортировав кривые в CSV-файл, а затем сгенерировав графики в Python с matplotlib.

Пример ВАХ туннельного диода на экране осциллографа:

Вначале ток через диод возрастает приблизительно до 11 мА, пока напряжение не увеличивается до 150 мВ, затем резко уменьшается до 500 мкА и возрастает снова. Это — участок отрицательного дифференциального сопротивления, на котором ток падает с увеличением напряжения.

Для изучения работы диода в переключающем устройстве автор подключил его к двум BNC-разъёмам. Корпуса их соединены вместе, а между центральными контактами включён диод. Сигнал с генератора с выходным сопротивлением в 50 Ом поступает через диод на осциллограф с тем же входным сопротивлением:

Поведение диода не зависит от формы сигнала. Когда напряжение превышает пороговое, происходит переключение. Автор подавал сигнал треугольной формы с частотой порядка 100 кГц. Спадание тока происходит за 900 пикосекунд, а нарастание — за 1,1 наносекунды. Впечатляет, особенно если учитывать, что схема состоит из одной детали, не считая сигнал-генератора. У генератора прямоугольных импульсов на таймере 555 переключение длится примерно 100 наносекунд.
Но размах выходного сигнала невелик, поскольку туннельные диоды работают при малых напряжениях и токах.

Далее автор пробует применить переключательный диод не по назначению — в генераторе. Здесь он будет поддерживать в контуре незатухающие колебания:

Колебательный контур первоначально состоял из одного витка диаметром в 9 мм и конденсатора на 2 пФ. Конденсатор на 10 нФ замыкает генерируемые колебания на себя, не пропуская их в цепь питания. Напряжение питание составляет 700 мВ, после запуска генератор продолжает работать при снижении напряжения до 330 мВ.
Сначала генератор работал на частоте в 295 МГц. При замене конденсатора в контуре на другой, ёмкостью в пФ, частота возросла всего до 300 МГц, из чего следует, что собственная ёмкость диода и дальше занижала частоту. Рассчитав индуктивность витка, автор далее вычислил собственную ёмкость диода — 18 пФ. В даташите сказано, что она не превышает 30 пФ, и это оказалось так.

При наблюдении колебаний важно не внести в контур дополнительную ёмкость. У 10-кратного щупа осциллографа ёмкость составляет 10 пФ, чего достаточно, чтобы ещё уменьшить частоту. Поэтому автор замкнул вход осциллографа на корпус, получив ещё один виток — измерительный. Поднеся его к витку контура, можно получить трансформатор без сердечника. Амплитуду колебаний так не узнать, но можно посмотреть, как она зависит от напряжения питания.

Чтобы увеличить частоту генерации, автор укоротил выводы диода и подключил конденсатор с аксиальным расположением выводов прямо к ним. Виток больше не нужен, индуктивность обеспечивают выводы компонентов. После подачи на схему напряжения питания в 700 мВ началась генерация на частоте в 581 МГц. Как бы ещё увеличить её? Взять объёмный резонатор?
Вероятно, работать с туннельными диодами проектировщикам было непросто: правило «строим усилитель — получается генератор» здесь так и норовило соблюстись. Поэтому автор пока не пробовал делать на таком диоде усилитель.

Выходной сигнал автор снимал тем же способом, и хотя он выглядит как идеально синусоидальным, он может быть и искажённым, просто на частоте в 581 МГц у осциллографа на 1 ГГц для обнаружения искажений не хватает разрешающей способности. Так же, как и в предыдущем случае, точно измерить амплитуду, а значит, сравнить по ней этот генератор с предыдущим, не получится.

Туннельные диоды очень «нежны»: один из них вышел у автора из строя при снятии ВАХ из-за слишком большой амплитуды сигнала с генератора, другой — от перегрева при пайке. С оставшимися восемью автор обращался значительно деликатнее. Впаивать диод нужно при температуре не более 260 °C не дольше 3 секунд и с теплоотводом. Рекомендуемого для таких целей медного пинцета толщиной в 2 мм у автора нет, но подошёл алюминиевый зажим, изначально приобретённый для пайки германиевых компонентов:

Диоды также боятся статики, к тому же, «проверка диодов тестером не допускается». У автора после такого опыта диод выжил, но во время проверки не звонился ни в одну сторону. Определять полярность нужно по иллюстрации в даташите.

Если с туннельными диодами собираетесь экспериментировать и вы, приобретите их на всякий случай с запасом, но соблюдать эти несложные правила начинайте сразу. И тогда не потеряете ни один.

35. Туннельные диоды. Принцип действия и основные параметры.

Предложенный в 1958 г. японским ученым Л. Ёсаки туннельный диод изготовляется из германия или арсенида галлия с высокой концентрацией примесей (1019— 1020 см~3), т.е. с очень малым удельным сопротивлением, в сотни или тысячи раз меньшим, чем в обычных диодах. Такие полупроводники с малым сопротивлением называют вырожденными. Электронно-дырочный переход в вырожденном полупроводнике получается в десятки раз тоньше (10~6 см), чем в обычных диодах, а потенциальный барьер примерно в два раза выше. В обычных полупроводниковых диодах высота потенциального барьера равна примерно половине ширины запрещенной зоны, а в туннельных диодах она несколько больше этой ширины. Вследствие малой толщины перехода напряженность поля в нем даже при отсутствии внешнего напряжения достигает 106 В/см.

В туннельном диоде, как и в обычном, происходит диффузионное перемещение носителей через электронно-дырочный переход и обратный их дрейф под действием поля. Но кроме этих процессов основную роль играет туннельный эффект. Он состоит в том, что в соответствии с законами квантовой физики при достаточно малой толщине потенциального барьера имеется возможность для проникновения электронов через барьер без изменения их энергии. Такой туннельный переход электронов с энергией, меньшей высоты барьера (в электрон-вольтах), совершается в обоих направлениях, но только при условии, что по другую сторону барьера для туннелирующих электронов имеются свободные уровни энергии. Подобный эффект невозможен с точки зрения классической физики, в которой электрон рассматривается как частица материи с отрицательным зарядом, но оказывается вполне реальным в явлениях микромира, подчиняющихся законам квантовой механики, согласно которым электрон имеет двойственную природу: с одной стороны, он является частицей, а с другой стороны, он может проявлять себя как электромагнитная волна. Но электромагнитная волна может проходить через потенциальный барьер, т. е. через область электрического поля, не взаимодействуя с этим полем.

Процессы в туннельном диоде удобно рассматривать на энергетических диаграммах, показывающих уровни энергии валентной зоны и зоны проводимости в п- и р-областях. Вследствие возникновения контактной разности потенциалов в n—p-переходе границы всех зон в одной из областей сдвинуты относительно соответствующих зон другой области на высоту потенциального барьера, выраженную в электрон-вольтах.

На рис. 8-1 с помощью энергетических диаграмм изображено возникновение туннельных токов в электронно-дырочном переходе туннельного диода. Для того чтобы не усложнять рассмотрение туннельного эффекта, диффузионный ток и ток проводимости на этом рисунке не показаны. Диаграмма рис. 8-1, а соответствует отсутствию внешнего напряжения. Высота потенциального барьера взята для примера 0,8 эВ, а ширина запрещенной зоны составляет 0,6 эВ. Горизонтальными линиями в зоне проводимости и в валентной зоне показаны энергетические уровни, полностью или частично занятые электронами. В валентной зоне и зоне проводимости изображены также незаштрихованные горизонтальными линиями участки, которые соответствуют уровням энергии, не занятым электронами. Как видно, в зоне проводимости полупроводника n-типа и в валентной зоне полупроводника р-типа имеются занятые электронами уровни, соответствующие одинаковым энергиям. Поэтому может происходить туннельный переход электронов из области п в область р (прямой туннельный ток inp) и из области р в область п (обратный туннельный ток /обр). Эти два тока одинаковы по значению, и результирующий ток равен нулю.

На рис. 8-1,6 показана диаграмма при прямом напряжении 0,1 В, за счет которого высота потенциального барьера понизилась на 0,1 эВ и составляет 0,7 эВ. В этом случае туннельный переход электронов из области п в область р усиливается, так как в области р имеются в валентной зоне свободные уровни, соответствующие таким же энергиям, как энергии уровней, занятых электронами в зоне проводимости области п. А переход электронов из валентной зоны области р в область и невозможен, так как уровни, занятью электронами в валентной зоне области р, соответствуют в области п энергетическим уровням запрещенной зоны. Обратный туннельный ток отсутствует, и результирующий туннельный ток достигает максимума. В промежуточных случаях, например когда ипр = 0,05 В, существуют и прямой и обратный туннельный токи, но обратный ток меньше прямого. Результирующим будет прямой ток, но он меньше максимального, получающегося при мпр = 0,1 В.

Случай, показанный на рис. 8-1, в, соответствует ипр = 0,2 В, когда высота потенциального барьера стала 0,6 эВ. При этом напряжении туннельный переход невозможен, так как уровням, занятым электронами в данной области, соответствуют в другой области энергетические уровни, находящиеся в запрещенной зоне. Туннельный ток равен нулю. Он отсутствует также и при большем прямом напряжении.

Следует помнить, что при возрастании прямого напряжения увеличивается прямой диффузионный ток диода. При рассмотренных значениях ипр < 0,2 В диффузионный ток гораздо меньше туннельного тока, а при ипр > 0,2 В диффузионный ток возрастает и достигает значений, характерных для прямого тока обычного диода.

На рис. 8-1, г рассмотрен случай, когда обратное напряжение мобр = 0,2 В. Высота потенциального барьера стала 1 эВ, и значительно увеличилось число уровней, занятых электронами в валентной зоне р-области и соответствующих свободным уровням в зоне проводимости n-области. Поэтому резко возрастает обратный туннельный ток, который получается такого же порядка, как и ток при прямом напряжении.

Как видно, при u=0 ток равен нулю. Увеличение прямого напряжения до U_П В дает возрастание прямого туннельного тока до максимума I_п (точка А). Дальнейшее увеличение прямого напряжения до U_В В сопровождается уменьшение туннельного тока, поэтому в точке Б получается минимум тока и характеристика имеет падающий участок АБ, для которого R_i<0.

После этого участка ток снова возрастает за счёт диффузионного прямого тока, характеристика показана штриховой линией. Обратный ток получается такой же, как прямой, т.е. во много раз больше, нежели у обычных диодов.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода (рис. 8-2) поясняет рассмотренные диаграммы. Как видно, при и = 0 ток равен нулю. Увеличение прямого напряжения до 0,1 В дает возрастание прямого туннельного тока до максимума (точка А). Дальнейшее увеличение прямого напряжения до 0,2 В сопровождается уменьшением туннельного тока. Поэтому в точке Б получается минимум тока и характеристика имеет падающий участок АБ, для которого характерно отрицательное сопротивление переменному току

Rt = Au/Ai<0. (8-1)

После этого участка ток снова возрастает за счет диффузионного прямого тока, характеристика которого на рис. 8-2 показана штриховой линией. Обратный ток получается такой же, как прямой, т. е. во много раз больше, нежели у обычных диодов.

Основные параметры туннельных диодов — это ток максимума /тах, ток минимума /min (часто указывается отношение 1тлх/1т-1П, которое бывает равно нескольким единицам), напряжение максимума Uх, напряжение минимума U2, наибольшее напряжение L3, соответствующее току /тах на второй восходящей части характеристики (участок БВ). Разность AU = V’3 — U\ называется напряжением переключения или напряжением скачка. Токи в современных туннельных диодах составляют единицы миллиампер, напряжения — десятые доли вольта. К параметрам также относятся отрицательное дифференциальное сопротивление диода (обычно несколько десятков ом), общая емкость диода (единицы или десятки пикофарад), время переключения тпк и максимальная или критическая частота /тах.

Включая туннельный диод в различные схемы, можно его отрицательным сопротивлением скомпенсировать положительное активное сопротивление (если рабочая точка будет находиться на участке АБ) и получить режим усиления или генерации колебаний. Например, в обычном колебательном контуре за счет потерь всегда имеется затухание. Но с помощью отрицательного сопротивления туннельного диода можно уничтожить потери в контуре и получить в нем незатухающие колебания. Простейшая схема генератора колебаний с туннельным диодом показана на рис. 8-3.

Работу такого генератора можно объяснить следующим образом. При включении питания в контуре LC возникают свободные колебания. Без туннельного диода они затухли бы. Пусть напряжение Е выбрано таким, чтобы диод работал на падающем участке характеристики, и пусть во время одного полупериода переменное напряжение контура имеет полярность, показанную на рисунке знаками « + » и « —» без кружков (знаки « + » и « —» в кружках относятся к постоянным напряжениям). Напряжение от контура подается на диод и является для него обратным. Поэтому прямое напряжение на диоде уменьшается. Но за счет работы диода на падающем участке ток возрастает, т. е. пройдет дополнительный импульс тока, который добавит энергию в контур. Если эта дополнительная энергия достаточна для компенсации потерь, то колебания в контуре станут незатухающими.

Туннельный переход электронов сквозь потенциальный барьер происходит в чрезвычайно малые промежутки времени: 10~12 — 10~14с, т.е. 10~3— 10~5 не. Поэтому туннельные диоды хорошо работают на сверхвысоких частотах. Например, можно генерировать и усиливать колебания с частотой до десятков и даже сотен гигагерц. Следует заметить, что частотный предел работы туннельных диодов практически определяется не инерционностью туннельного эффекта, а емкостью самого диода, индуктивностью его выводов и его активным сопротивлением.

Принцип усиления с туннельным диодом показан на рис. 8-4. Для получения режима усиления необходимо иметь строго определенные значения Е и RH. Сопротивление RH должно быть немного меньше абсолютного значения отрицательного сопротивлений диода. Тогда при отсутствии входного напряжения исходная рабочая точка Т может быть установлена на середине падающего участка (эта точка является пересечением линии нагрузки с характеристикой диода). При подаче входного напряжения с амплитудой Umm линия нагрузки будет совершать колебания, перемещаясь параллельно самой себе. Крайние ее положения показаны штриховыми линиями. Они определяют конечные точки рабочего участка АБ. Проектируя эти точки на ось напряжений, получаем амплитуду выходного напряжения UmBbn, которое оказывается значительно больше входного. Особенностью усилителя на туннельном диоде является отсутствие отдельных входной и выходной цепей, что создает некоторые трудности при осуществлении схем с несколькими каскадами усиления. Усилители на туннельных диодах могут давать значительное усиление при невысоком уровне шумов и работают устойчиво.

Туннельный диод используется также в качестве быстродействующего переключателя, причем время переключения может быть около 10″9 с, т. е. около 1 не, и даже меньше. Схема работы туннельного диода в импульсном режиме в простейшем случае такая же, как на рис. 8-4, но только входное напряжение представляет собой импульсы, а сопротивление RH должно быть несколько больше абсолютного значения отрицательного сопротивления диода. На рис. 8-5 показан импульсный режим работы туннельного диода. Напряжение питания Е выбрано таким, что при отсутствии входного импульса диод работает в точке А и ток получается максимальным (/тах), т. е. диод открыт. При подаче положительного импульса входного напряжения прямое напряжение на диоде увеличивается и режим работы диода скачком переходит в точку Б. Ток уменьшается до минимального значения /min, что условно можно считать закрытым состоянием диода. А если установить постоянное напряжение £, соответствующее точке Б, то можно переводить диод в точку А подачей импульсов напряжения отрицательной полярности.

Туннельные диоды могут применяться в технике СВЧ, а также во многих импульсных радиоэлектронных устройствах, рассчитанных на высокое быстродействие. Помимо весьма малой инерционности достоинством туннельных диодов является их стойкость к ионизирующему излучению. Малое потребление энергии от источника питания также во многих случаях следует считать достоинством этих диодов. К сожалению, эксплуатация туннельных диодов выявила существенный их недостаток. Он заключается в том, что эти диоды подвержены значительному старению, т. е. с течением времени их характеристики и параметры заметно изменяются, что может привести к нарушению нормальной работы того или иного устройства. Надо полагать, что в дальнейшем этот недостаток удастся свести к минимуму.

Если для диода применить полупроводник с концентрацией примеси около 1018 см»3, то при прямом напряжении туннельный ток практически отсутствует и в вольт-амперной характеристике нет падающего участка (рис. 8-6). Зато при обратном напряжении туннельный ток по-прежнему значителен, и поэтому такой диод хорошо пропускает ток в обратном направлении. Подобные диоды, получившие название обращенных, могут работать в качестве детекторов на более высоких частотах, нежели обычные диоды.

Все туннельные диоды имеют весьма малые размеры. Например, они могут быть оформлены в цилиндрических герметичных металлостеклянных корпусах диаметром 3 — 4 мм и высотой около 2 мм. Выводы у них гибкие ленточные. Масса не превышает 0,15 г.

В настоящее время разрабатываются новые типы туннельных диодов, исследуются новые полупроводниковые материалы для них и вопросы замедления старения.

Полупроводниковые диоды.

П.п.диоды – это электропреобразовательный п.п.прибор, с одним выпрямляющим электрическим p-n-переходом и двумя выводами.

Биполярный транзистор.

Биполярные транзисторы – п.п.приборы имеющие 2-а p-n-перехода, используются для усиления, генерации элек-их сигналов.

Полевой транзистор.

Полевые транзисторы – п.п.приборы, в к-ых используются п.п.материалы с различными типами электропроводимостями и к-ые образуют 1-ин p-n-переход. Применяются в качестве усилителей и генераторов на высоких частотах.

Тиристоры.

Тиристоры – п.п.приборы имеющие 3-и или более p-n-переходов и работающих в 2-х устойчивых состояниях (открытом или закрытом). Широко используется в качестве быстродействующих переключателей.

Полупр-ые фотоэлектрические приборы.

П.п.ф.э.приборы – это приборы, в к-ых используется эффект взаимодействия оптического излучения и носителей зарядов. Широко используются в сис-мах автоматики, контр.-измерительн. устр-вах, в сис-мах оптоволоконной техники, в качестве элементов солнечных батарей.

Полупр-ые микросхемы.

П.п.микросхемы – микроэлектронные устр-ва (изделия), предназначенные для преобразования электр. сигналов, все элементы и межэлементные соединения к-ых, выполнены в объёме и на поверхности п.п.кристалла.

Комбинированные неуправляемые приборы.

Комбинированные приборы – представлен различными п.п.приборами объединённые в один корпус. Широко используется в сис-мах автоматики, связи, вычислительной техники.

Диоды.

Выпрямительные диоды – в качестве выпрямления элек. перехода, используется электронно-дырочный переход (p-n-переход).

Полупроводниковые диоды: диоды плоскостные; пл.точечные диоды.

Диоды плоскостные: выпрямительные д., стабилитроны (опорный), туннельный д., варикап, светодиод ,, обращённый диод, фотодиод, фотоэлементы ; плоскостные диоды: выпрямительный диод, сверхчастотные диоды; спец. — диод Шотки.

Стабилитроны. При рассмотрении вольт-амперной характеристики полупроводникового диода видно, что в области электрического пробоя имеется участок, который может быть использован для стабилизации напряжения. Такой участок у кремниевых плоскостных диодов соответствует изменениям обратного тока в широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя, в данном случае в режиме стабилизации, он становится такого же порядка, как и прямой ток. Стабилитроны изготавливаются исключительно из кремния, их также еще называют опорными диодами, т. к. в ряде случаев получаемое от них стабильное напряжение используется в качестве опорного. На рисунке показана ВАХ стабилитрона.

Рис. 6 Вольт-амперная характеристика стабилитрона Из рисунка видно, что при обратном токе напряжение стабилизации меняется незначительно. Стабилитрон работает при обратном напряжении. Принцип работы поясняет простейшая схема включения стабилитрона. Эта схема называется параметрическим стабилизатором напряжения и несмотря на свою простоту используется довольно широко. Такая схема позволяет получить ток в нагрузке в несколько миллиампер.

Рис. 7 Схема включения стабилитрона Нагрузка включена параллельно стабилитрону, поэтому в режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Все изменение входного напряжения будет поглощаться резистором R_огр, которое еще называют балластным. Сопротивление этого резика должно быть определенного значения и его обычно рассчитывают для средней точки Т (см. рис. 6). Если входное напряжение будет изменяться, то будет изменяться ток стабилитрона, но напряжение на нем, следовательно и на нагрузке, будет оставаться постоянным. Следует отметить, что если имеют место пульсации входного напряжения, то стабилитрон неплохо сглаживает их. Это объясняется тем, что стабилитрон обладает малым сопротивлением переменному току. Это сопротивление обычно во много раз меньше сопротивления R_огр, поэтому основная часть пульсаций поглощается в этом резике, а на стабилитроне и в нагрузке выделяется лишь незначительная часть их. Стабисторы.Это полупроводниковые диоды, аналоги стабилитронов, но в отличие от последних у стабисторов используется не обратное напряжение, а прямое. Значение этого напряжение мало зависит от тока в некоторых пределах. Напряжение стабилизации стабисторов обычно не более 2 вольт, чаще всего 0,7 В при токе до нескольких десятков мА. Особенность стабисторов — отрицательный температурный коэффициент напряжения, т. е. напряжение стабилизации с повышением температуры уменьшается. Поэтому стабисторы применяют также в качестве термокомпенсирующих элементов, соединяя их с обычными стабилитронами, имеющими положительный ТКН. Варикапы. Эти плоскостные диоды, иначе называемые параметрическими, работают при обратном напряжении, от которого зависит барьерная емкость. Другими словами, варикап — это кондер переменной емкости, управляемый не механически, а электрически. Варикапы применяются главным образом для настройки колебательныъх контуров, а также в некоторых спешиал схемах, например, в так называемых параметрических усилителях. Вот простейшая схемка включения варикапа в колебательный контур:

Рис. 8 Схема включения варикапа в колебательный контур в качестве кондера переменной емкости Изменяя с помощью потенциометра R обратное напряжение на варикапе, можно менять резонансную частоту контура. Добавочный резистор R1 с большим сопротивлением включен для того, чтобы добротность контура не снижалась заметно от шунтирующего влияния потенциометра R. Кондер C_р является разделительным. Без него варикап был бы для постоянного напряжения замкнут накоротко катушкой L. В качестве варикапов можно использовать стабилитроны с напряжением ниже напряжения стабилизации, когда обратный ток еще очень мал, а обратное сопроивление очень велико. Мы рассмотрели основные типы полупроводниковых диодов. Существуют еще и туннельные диоды, диоды Ганна, фотодиоды и пр. О них будет рассказано в главе о специальных полупроводниковых приборах.

Биполярные транзисторы

П/п прибор с 2-мя и более переходами и с 3-мя и более выводами

Различают транзисторы проводимости:

n-p-n, p-n-p

Режимы работы БТ

1.)Отсечка – оба перехода закрыты, обратно смещены

2.)Насыщения – оба перехода смещены прямо

3.)Активный режим – эммитеры прямо, колектор обратно

4)Активно инверсный – эммитеры обратно, колектор прямо

Активный режим. Физика работы.

Iк=aIэ+Iко Iко-обратный ток колектора,a-коэффициент передачи тока эмитера

в — нагрузка активно-индуктивная

Среднее значение выпрямленного напряжения при активной нагрузке (без учета потерь) где U2 — действующее значение напряжения фазы вторичной обмотки трансформатора;- постоянное напряжение при=0. Среднее значение выпрямленного напряжения при активно-индуктивной нагрузкеЗависимости, выраженные формулами (1) и (2), называются регулировочными характеристиками. Максимальное обратное напряжение на тиристореМаксимальное прямое напряжение на тиристоре при активной нагрузкепри активно-индуктивнойВ лабораторном стенде смонтирована двухполупериодная схема выпрямителя на тиристорах с выводом нулевой точки трансформатора. Изменение активного сопротивления нагрузки осуществляется переключателем В3. Включение активной и активно-индуктивной нагрузок осуществляется переключателем В2. Величины среднего значения выпрямленного напряжения и выпрямленного тока измеряются приборами, расположенными на передней панели. Для управления тиристорами применена импульсно-фазовая схема.

Механизм работы и классификация МДП — транзисторов.

МДП — транзисторы отличаются от биполярных транзисторов, поскольку механизм их работы основан на перемещении только основных носителей заряда. В связи с этим их называют униполярными. Эти транзисторы имеют следующие преимущества перед биполярными: малый уровень шумов, большая стойкость к радиационным излучениям, устойчивость от перегрузок по току, высокое входное сопротивление. К недостаткам следует отнести меньшее быстродействие, худшую технологическую воспроизводимость параметров и большую временную нестабильность.

МДП — транзистор имеет четыре электрода, которые называют истоком, стоком, затвором и подложкой (рис. 1, а).

Рис.1. МДП — транзистор с индуцированным каналом p-типа:

а – упрощенная конструкция; б – условное обозначение.

Принцип действия МДП-транзистора основан на эффекте изменения электропроводности поверхностного слоя полупроводника между стоком и истоком под действием напряжения, приложенного к управляющему электроду (затвору), отделенному от поверхности полупроводника тонким слоем диэлектрика. Участок полупроводника с изменяющейся электропроводностью называют каналом и изображают на чертежах в виде скрещенных тонких линий.

Существуют две разновидности МДП — транзисторов: с встроенным каналом и с индуцированным каналом. В МДП — транзисторе с индуцированным каналом (рис. 1, а и рис. 2, а) при нулевом напряжении на затворе канал отсутствует.

Рис. 2. МДП — транзистор с индуцированным каналом n-типа:

а – упрощенная конструкция; б – условное обозначение.

Если увеличивать напряжение на затворе (по модулю), то при некотором значении напряжения затвор — исток U0, называемом пороговым напряжением, на поверхности полупроводника будет индуцироваться инверсный слой, электропроводность которого совпадает с электропроводностью истока и стока. В результате образования этого слоя, области стока и истока оказываются соединенными тонким токопроводящим каналом, и во внешней цепи возникает ток.

Структура МДП — транзистора с встроенным каналом такова, что создание канала в тонком приповерхностном слое полупроводника предусматривается самой технологией производства. Поэтому конструкция такого транзистора будет отличаться от конструкций, представленных на рис. 1, а и рис. 2, а, изображением нижней границы канала сплошной линией. Электропроводность канала обязательно совпадает с электропроводностью стока и истока. Поскольку электропроводность подложки обратна электропроводности канала, области стока, истока и канала отделены от подложки p-n-переходом. Ток в канале такого транзистора может возникать и при нулевом смещении на затворе.

Исток и сток в принципе обратимы, и их можно менять местами при включении транзистора в схему. В этом случае при симметричной структуре транзистора его параметры сохраняются, а при несимметричной структуре (сток и исток могут различаться формой, площадями) они будут отличаться.

В связи с тем, что до последнего времени наибольшее применение в цифровых ИМС получили МДП — транзисторы с индуцированным каналом, дальнейшее изложение будет относиться к транзисторам этого типа.

По электропроводности канала различают p-канальные и n-канальные МДП — транзисторы. Упрощенная конструкция этих приборов показана на рис. 1, а и рис. 2, а, а условное обозначение на электрических схемах — на рис. 1, б и рис. 2, б.

Существует классификация МДП — транзисторов по конструктивно-технологическим признакам (чаще по виду материала затвора) (см. §2.3).

Интегральные микросхемы, содержащие одновременно p-канальные и n-канальные МДП — транзисторы, называют комплементарными (сокращенно КМДП — ИМС). КМДП — ИМС отличаются высокой помехоустойчивостью, малой потребляемой мощностью, высоким быстродействием. Эти преимущества, однако, достигаются за счет более сложной технологии с меньшим выходом годных схем.

Основные параметры

Каталог радиолюбительских схем. Радиопередатчики на туннельных диодах.

Каталог радиолюбительских схем. Радиопередатчики на туннельных диодах. Радиопередатчики на туннельных диодах
На рис.1,2 представлены примеры схем ЧМ-передатчиков, созданных на основе туннельных диодов.
Туннельные диоды, как известно, при некоторых режимах обладают отрицательным динамическим (!!) сопротивлением. Благодаря этому свойству данные элементы могут выполнять функции генераторов колебаний и усилителей радиосигналов.
Помещенный в цепь колебательного контура туннельный диод компенсирует потери и обеспечивает генерацию незатухающих колебаний. Простейшие цепи частотной модуляции, несколько дополнительных элементов — и ЧМ-радиопередатчик готов. Именно так построены представленные устройства.
Данные маломощные УКВ ЧМ-устройства обеспечивают передачу информации на расстоянии нескольких десятков метров при чувствительности УКВ-приемника 5-10 мкВ и длине передающей антенны 1 м — 0.5 м для частот 70-144 МГц (оптимальная длина антенны -1/4 длины радиоволны). Увеличение частоты позволяет уменьшить длину антенны. Это вместе с простотой конструкции позволяет создавать сверхминиатюрную аппаратуру. Несмотря на относительно скромные расстояния работы, данные устройства могут представлять определенный интерес.

Рис.1. Схема ЧМ-передатчика на тунельном диоде с автотрансформаторным включением антенны.
Элементы для схемы УКВ ЧМ-передатчика (рис.1.) на туннельном диоде:
R1=33.R2=100,R3=510;
С 1=20-40, С2=10н-68н, СЗ=4.7мкФ-20мкФ;
D1 — туннельный диод, например, АИ201А или аналогичные;
LI — бескаркасная, 5+2 (2витка от «земли») витков ПЭВ-2 0.8, диаметр катушки 8 мм.
Монтаж.
Монтаж осуществляется в соответствии с обычными требованиями по конструированию ВЧ-устройств: минимальная длина проводников, экранирование и т.д.
Настройка.
Переменным резистором R3 устанавливается рабочая точка, при которой возникает устойчивая генерация. Частота устанавливается изменением длины катушки и величины емкости С1.

Рис.2. Схема ЧМ-передатчика на тунельном диоде с трансформаторным включением антенны.
Элементы для схемы УКВ ЧМ-передатчика (рис.2.) на туннельном диоде:
R1=100, R2=300;
С 1=20-40, С2=10н-68н, СЗ=4.7мкФ-20мкФ, С4=0.1мкФ;
D1 — туннельный диод, например, АИ201А или аналогичные;
L1 — бескаркасная, 7 витков ПЭВ-2 0.8, внутренний диаметр катушки 8 мм, L2 — бескаркасная, 3 витка ПЭВ-2 0.6, длина катушки 4 мм, внутренний диаметр катушки 2.5-3 мм.
Настройка.
Переменным резистором R1 устанавливается рабочая точка, при которой возникает устойчивая генерация. Частота устанавливается изменением длины катушки и величины емкости С1.
Монтаж.
Монтаж осуществляется в соответствии с обычными требованиями по конструированию ВЧ-устройств: минимальная длина проводников, экранирование и т. д.
Замечание
Приведенные схемы ЧМ-радиопередатчиков обладают интересной особенностью: радиопередатчики достаточно просто превращаются в радиоприемники. Для этого вместо микрофона, конечно, следует использовать УНЧ с громкоговорителем или телефоны (наушники), кроме того. возможно потребуется изменить режим туннельного диода. Конечно. чувствительность такого радиоприемника будет невелика.

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).
Индикатор кривой Tektronix 571 с туннельным диодом 10 мА. Туннельный диод 10 мА, установленный в приспособлении для измерения кривой Tektronix 571.
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
Туннельный диод
— 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:
стабилитрон диод
Лавинный диод
Фотодиод
Свет Излучающий диод
Лазер диод
Туннель диод
Шоттки диод
Варактор диод
П-Н переходной диод
Туннельный диод, сентябрь 1960 г., Popular Electronics
Сентябрь 1960 г. Популярная электроника
Таблица содержания
Воск, ностальгирующий по истории ранней электроники.См. Статьи с Популярная электроника, опубликовано с октября 1954 года по апрель 1985 года. Настоящим подтверждаются все авторские права.
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.
Тестирование передатчика.
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:
Во-первых, он уменьшает ширину обедненного слоя до крайне малого значения (около 0,00001 мм).
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.
В-третьих, он производит участок отрицательного сопротивления на V / I характеристиках диода.
Рисунок 1: Символы туннельного диода
В / I Характеристика
Рисунок 2: Характеристики туннельного диода VI
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
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).
I
_P / I _V Передаточное отношение
Это почти такой же важный фактор (особенно для компьютерных приложений), как отрицательное сопротивление диода.
Кремниевые диоды
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.
GaAs-диоды
(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.
Рис. 3. Форма сигнала цепи смещения туннельного диода
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:
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
Как запоминающее устройство логической памяти — за счет трехзначной характеристики его кривой от тока.
Как СВЧ-генератор на частоте около 10 ГГц — из-за его чрезвычайно малой емкости и индуктивности, а также отрицательного сопротивления.
В цепях релаксационного генератора — из-за его отрицательного сопротивления. В этом отношении он очень похож на однопереходный транзистор.
Преимущества и недостатки
Низкий уровень шума
Удобство эксплуатации
Высокая скорость
Низкое энергопотребление
Нечувствительность к ядерному излучению
Недостатки
Диапазон напряжения, в котором он может работать должным образом, составляет 1 В или меньше:
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.