Туннельный диод принцип работы кратко

Обновлено: 05.07.2024

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

Принцип действия туннельного диода

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.

Что такое туннельный диод

Определение

Итак, туннельный диод – это полупроводниковый диод, созданный на базе вырожденного полупроводника, на ВАХ (Вольт Амперная Характеристика) которого присутствует область с отрицательным дифференциальным сопротивлением при приложении напряжения в прямом направлении, который объясняется туннельным эффектом.

Кто и когда создал

Данный элемент впервые был предложен в 1957 году ученым из Японии
Р. Эсаки и изготавливался либо из германия, либо из арсенида галлия с огромным количеством присадок с минимальным удельным сопротивлением.

Более удачной было признана компоновка с арсенидом галлия, где применялись: Доноры – олово, сера, теллур, свинец, селен и также акцепторы – кадмий и цинк.

За экспериментальное обнаружение эффекта туннелирования электронов в диодах в 1973 году Р. Эсаки был удостоен Нобелевской премии.

Принцип действия и особенности туннельного диода

Для туннельных диодов с экстремально малым сопротивлением, относящимся к так называемой группе вырожденных, свойственны следующие особенности:

Если сравнить с обычными диодными устройствами, то электронно-дырочный переход в несколько десятков раз тоньше у туннельных диодов.

А вот потенциальный барьер наоборот выше в два раза по сравнению с обычными полупроводниковыми элементами.

Кроме этого на изделиях присутствует напряженность поля величиной в 106 В/см даже после отключения напряжения питания.

При этом уникальные свойства проявляются в его ВАХ при прямом смещении в полупроводнике.

Главные параметры изделия

Если необходимо выбрать туннельный диод, то следует обращать внимание на следующие параметры:

1. Ток пика – это максимально возможный ток прямого направления;

2. Пиковое напряжение, которое характерно для тока пика;

3. Минимальный ток (или как его еще называют – ток впадины) и соответствующее этому току напряжение;

4. Максимальный перепад напряжений;

5. Емкость – между выводами полупроводника при конкретной вольтовой характеристике смещения.

Туннельный диод – особый тип диодов, параметры которого, отличаются по своим характеристикам и строению от других разновидностей диодов. Эти радиодетали так называются потому что их работоспособность объясняется наличием туннельного эффекта. Это выражается в особом квантовом явлении. Электроны внутри него неким образом смещается проходя через p-n-p переход. Этот эффект используется в радиоэлектронике и различных устройствах радиотехнике.

Потенциал, требуемый для создания туннельного эффекта, не отличается большой мощностью. Также такие диоды имеют небольшое сопротивление и не мешают движению тока в электроцепи. Подробнее о туннельных диодах читатель узнает далее, в качестве дополнительных материалов предложены интересные видеоролики и дополнительный материал по данной теме в конце статьи.

Отрицательное сопротивление

Согласно закону Ома классическая зависимость силы тока и напряжения носит прямо пропорциональный характер – чем выше прикладываемая к нагрузке разность потенциалов, тем больше сила тока. В туннельных диодах, в очень узком интервале входных напряжений, при увеличении прямого смещения дифференциальное сопротивление диода становится отрицательным, и ток не растёт, а, напротив, падает.

Сила тока уменьшается до некоего минимального значения, зависящего от параметров конкретного радиокомпонента. При дальнейшем повышении напряжения ток снова начинает расти, и вольт-амперная характеристика возвращается к своему обычному виду. Данное изменение силы тока выглядит как импульс, то есть поведение туннельного диода в этот момент напоминает функционирование генератора.

Повторимся, что описанное явление наблюдается в чрезвычайно узком интервале входной разности потенциалов, поэтому рабочие напряжения туннельных диодов не превышают единиц милливольт. Это делает элементы почти идеальными детекторами малых смещений и позволяет использовать их в низковольтной переключающей аппаратуре – всевозможных коммутаторах и так далее. В перечень основных характеристик туннельного диода входят следующие:

пиковый ток и ток впадины;
пиковое напряжение и напряжение впадины;
удельная ёмкость;
резистивная и резонансная частоты.

Именно по этим параметрам подбираются радиокомпоненты для конкретных устройств. Для того чтобы возник туннельный эффект, полупроводник должен быть особым образом подготовлен. Технологически это осуществляется с помощью легирования металлическими примесями. Полупроводник при этом легируется настолько интенсивно, что его собственные свойства почти исчезают. Именно поэтому такие материалы называются вырожденными.

Некоторые учёные называют вырожденные полупроводники полуметаллами – настолько сильны у них металлические свойства. Тем не менее, этого недостаточно для признания их типичными металлами. То есть диод, изготовленный из вырожденных полупроводников, ведёт себя всё-таки, как обычный вентиль, то есть при приложении обратного смещения запирается.

Узкий p-n-переход

Другая особенность туннельного диода состоит в чрезвычайно небольшой толщине p-n-перехода. Узость переходной зоны определяется невысокой концентрацией собственных носителей заряда в полупроводниках. Небольшая толщина p-n-перехода является причиной высокого уровня напряжённости электрического поля, которая и является основным фактором того, что электроны получают достаточно энергии для того, чтобы преодолеть запрещённую энергетическую зону и пройти через p-n-переход в обратном направлении.

Частотные свойства туннельных диодов

Физика вырожденных полупроводников обуславливает отсутствие накопления неосновных носителей заряда в базе диода – они все задействованы в туннелировании. Из-за этого время протекания переходных процессов оказывается ничтожно малым – порядка долей наносекунд. Это даёт широкие возможности использования туннельных диодов в сверхвысокочастотных устройствах, работающих с сигналами частотой до сотен ГГц.

Подробности об устройстве простым языком

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). Параметры туннельных диодов представлены в таблице ниже.

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.

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. 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.

Применение туннельных диодов

На рис. 1, 2 и 3 представлены три различных схемных применения генератора на туннельном диоде. Изображенный на рис.1 ЧМ передатчик очень прост и обеспечивает надежный прием в радиусе 10— 30 м при использовании штыревой антенны и ЧМ приемника средней чувствительности. Ввиду того, что схема модуляции передатчика простейшая, выходной сигнал несколько искажен, и, кроме частотной модуляции, получаемой за счет изменения синхронно с сигналом микрофона собственной частоты генератора, имеется значительная амплитудная модуляция. Сильно увеличивать выходную мощность такого передатчика нельзя, так как он является источником помех. Такой передатчик можно использовать какпереносный радиомикрофон, вызывное или переговорное устройство для малых расстояний.

Изображенный на рис. 3 камертонный генератор звуковой частоты может использоваться, как эталон для настройки музыкальных инструментов или телеграфный зуммер. Генератор может работать и на диодах с меньшими токами максимума. В этом случае должно быть увеличено число витков в катушках, а динамический громкоговоритель включен через усилитель. Для нормального функционирования генератора полное омическое сопротивление (r+ r катушки) должно быть меньше ¦ — Rg ¦, а положение ножек камертона относительно магнитного сердечника тщательно юстировано. Чтобы рабочая точка диода попала на участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, необходим источник напряжения с очень малым внутренним сопротивлением.

Величина этого сопротивления в большинстве случаев колеблется в пределах от нескольких десятков ом до нескольких ом. Если сопротивление, включенное последовательно с туннельным диодом, оказывается больше 2,5Rд, то рабочая точка не может устойчиво находиться на участке с отрицательным сопротивлением. Для питания устройств на туннельных диодах применяется схема, приведенная на рис.4. Величина сопротивления шунта Rш выбирается из условия Rш=(0,2-0,3)Rд Сопротивление R2 предохраняет диод и шунт Rш от повреждений при полном выведении сопротивления R1.

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним p-n- переходом и двумя омическими контактами (омическим называют контакт металла с полупроводником, не обладающий выпрямляющим свойством), к которым присоединяются два вывода. Электрический переход чаще всего образуется между двумя полупроводниками с разным типом примесной электропроводности (р- или n- типа), одна из областей (низкоомная) является эмиттером, другая (высокоомная) – базой. Структура диода и условное обозначение в схемах выпрямительного диода показаны на рисунках 3.1 а, б. Иногда электрический переход образуется между полупроводником р- или n-типа и металлом, такой переход называют контактом металл-полупроводник.

Классифицируют диоды по различным признакам:

полупроводниковому материалу: кремниевые, германиевые, из
арсенида галлия;
по физической природе процессов, обусловливающих их работу:
туннельные, фотодиоды, светодиоды и др.;
по назначению: выпрямительные, импульсные, и др.;
по технологии изготовления электрического перехода: сплавные
диффузионные и др.;
по типу электрического перехода: точечные и плоскостные.

Основной является классификация по назначению диода. Точечные диоды имеют очень малую площадь электрического перехода. Линейные размеры, определяющие ее, меньше ширины р-n-перехода. Точечный электрический переход можно создать в месте контакта небольшой пластинки полупроводника 3 и острия металлической проволочки-пружины 4 даже при простом их соприкосновении.

Более надежный точечный электрический переход образуется формовкой контакта, для чего через собранный диод пропускают короткие импульсы тока (порядка нескольких ампер). В результат формовки острие пружинки надежно приваривается к пластинке полупроводника. При этом из-за сильного местного нагрева материал острия пружинки расплавляется и диффундирует в пластинку полупроводника, образуя слой иного типа, чем полупроводник.

Между этим слоем и пластинкой образуется р-n-переход полусферической формы. Площадь р-n-перехода составляет примерно 10 2 − 10 3 мкм 2 . Точечные диоды в основном изготовляют из германия п-типа, металлическую пружинку из тонкой проволочки (диаметром от 0.05 мм до 0.1 мм), материал которой для германия p-типа должен быть акцептором (например, бериллий). Корпус точечных диодов герметичный.

Он представляет собой керамический или стеклянный баллон 2, покрытый черной светонепроницаемой краской (во избежание проникновения света, так как кванты света могут вызвать генерацию носителей заряда вблизи р-n-перехода, а следовательно, увеличить обратный ток диода).

Благодаря малой площади р-n-перехода емкость точечных диодов очень незначительна и составляет десятые доли пкФ. Поэтому точечные диоды используют на высоких (порядка сотен МГц) и сверхвысоких частотах. Их применяют в основном для выпрямления переменного тока высокой частоты (выпрямительные диоды высокочастотные) и в импульсных схемах (импульсные диоды) /3/.

Так как площадь р-n-перехода точечною диода мала, то прямой ток через переход должен быть небольшим (от 10 mА до 20 mА) из-за малой мощности (около 20 mВт), рассеиваемой переходом.

Заключение

В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:

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?

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.

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.

Читайте также: