Туннельные диоды. Большая энциклопедия нефти и газа

При этом напряжении появляется обычный диффузионный ток инжекции через p-n- переход. С увеличением прямого напряжения U > U2 прямой ток будет возрастать, как и в обычных выпрямительных диодах.

При обратном напряжении U < 0 опять возникают условия для туннельного перехода электронов с заполненных уровней валентной зоны p-области на свободные уровни зоны проводимости n-области. Через диод потечёт обратный ток в направлении от n-области к p-области. Туннельный диод обладает относительно высокой проводимостью при обратном напряжении.

Таким образом, туннельный диод обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением в некотором диапазоне прямых напряжений, что позволяет использовать его для генерации и усиления колебаний, а также в переключающих схемах.

Достоинством туннельных диодов являются высокие рабочие частоты, вплоть до СВЧ, низкий уровень шумов, высокая температурная устойчивость, большая плотность тока(10 3 -10 4 А/см 2) .

Как недостаток следует отметить малую отдаваемую мощность из - за низких рабочих напряжений и сильную электрическую связь между входом и вы-ходом, что затрудняет их использование.

Разновидностью туннельных диодов являются обращенные диоды, изготовляемые на основе полупроводника с концентрациями примесей в р - и n - областях диода, меньших, чем в туннельных, но больших, чем в обычных выпрямительных диодах.

Параметры туннельных диодов

Пиковый ток Iп (от сотен микроампер – до сотен миллиампер).

Напряжение пика U п – прямое напряжение, соответствующее току Iп.

Ток впадины Iв, соответствующий напряжению Uв.

Напряжение впадины – прямое напряжение, соответствующее току Iв.

Отношение токов Iп/Iв. Для туннельных диодов из GaAs отношение Iп/Iв ≥10 , для германия равно 3-6.

Напряжение раствора Uр – прямое напряжение, соответствующее типовому току на второй восходящей ветви ВАХ, определяет возможный скачок напряжения на нагрузке при работе туннельного диода в схеме переключения.

Отрицательное дифференциальное сопротивление Rдиф=dU/dI, определяемое на середине падающего участка BAX.

Удельная емкость Сд/ Iп – отношение емкости туннельного диода к пиковому току.

Предельная резистивная частота fr – частота, на которой активная составляющая полного сопротивления диода обращается в нуль.

Резонансная частота f0 – частота, на которой реактивная составляющая полного сопротивления обращается в нуль.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

Расчитать минимальный коэффициент усиления выходного транзистора простейшего ТТЛ вентиля

Слева ттл вентиль И не справа его передаточная характеристика... Электрическая схема ТТЛ вентиля со сложным инвертором...

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Принцип работы транзистора Шоттки.
Транзисторы Шоттки отличаются от обычных биполярных транзисторов тем, что они не входят в глубокое насыщение, следовательно, в их базах в открытом состоянии накапливается мало носителей заряда, и в

Как влияет облучение на характеристики р-n перехода.
Реакция интегральных микросхем (ИМС) на ионизирующее излучение обусловлена, в первую очередь, зависимостью параметров её элементов от эффектов смещения и ионизации. В свою очередь, конкретный вид э

Масштабирование. Основные принципы
Даже при одинаковом минимальном размере нормы проектирования обычно отличаются у различных компаний и процессов. Это превращает задачу переноса существующей разработки на другой процесс в весьма тр

Принцип работы транзистора в инверсном режиме
Биполярным транзистором называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий в своей структуре два взаимодействующих p-n-перехода и три внешних вывода, и предназначенный, в частно

Первый и второй закон Мура.
Закон Мура - эмпирическое наблюдение, сделанное в 1964 году (через шесть лет после изобретения интегральной схемы), в процессе подготовки выступления Г. Муром (одним из основателей Intel). Он выска

Тиристор. Принцип работы

Метод измерения динамических параметров интегральных схем.
К динамическим параметрам, характеризующим свойства микросхемы в режиме переключения, относятся: время задержки сигнала при включении - интервал времени между входными и выходными импульсами

Типы конденсаторов в интегральном исполнении
Принцип действия конденсаторов основан на способности накапливать на обкладках электрические заряды при приложении между ними напряжения. Количественной мерой способности накапливать электрические

Вентильные матрицы
Структура вентильной матрицы состоитиз так называемых базисных ячеек (вентилей) и связей между ними, реализованныхна кристалле посредством канальной технологии. Ячейкисодерж

Конструктивные и тепловые ограничения при проектировании интегральных схем
Основной единицей в определении норм проектирования является минимальная ширина линии. Т.е минимальный размер на фотошаблоне, который может быть надежно перенесен на полупроводников

Модель Эберса-Молла биполярного транзистора
Передаточная модель Эберса-Молла Модель базируется на эквивалентной схеме. Расчетные формулы, объединим в систему

Способы включения биполярного транзистора.
Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями: Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх. Входное сопротивление Rвх=Uвх/Iвх

Полевой транзистор. Принцип действия
Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим переходом и с изолированным затвором. Все они имеют три электрода: исток (источник носителей тока), затвор (управляющий электрод) и сток (элек

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом
Рис. 1. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом Полевой транзистор с управляющим p-n переходом - это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то

Биполярный транзистор. Принцип работы
Биполярный транзистор - трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с че

Современные системы автоматической идентификации.
Основные: Биометрические Дактилоскопические Штих-коды и чип-карты RFID (это он в основном будет спрашивать!!!) У всех недостатки в точности громоздкости

Полупроводниковые приборы с N - образными характеристиками.
S-приборы полупроводниковые приборы, действие которых основано на S-oбразной вольт-амперной характеристике, на которой есть один (АВ) или несколько участков с отрицательным сопротивлением. У полупр

Система параметров логических элементов.
Основными параметрами цифровых интегральных схем являются их быстродействие, потребляемая мощность, коэффициент объединения по входу, коэффициент разветвления по выходу, устойчивость против внешних

Полупроводниковые приборы с отрицательным сопротивлением.
Тиристор – это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три и более взаимодействующих выпрямляющих перехода, вольт- амперная характеристика которого имеет участок с отриц

Конструкция и принцип работы многоэмиттерного транзистора.
Многоэмиттерный транзистор (МЭТ) это биполярный транзистор, который имеет несколько эмиттерных областей. Различают МЭТ в которых эмиттерные области объединены одним внешним выводом, и МЭТ в которых

Закон Мура. Степень интеграции интегральных схем.
Зако́нМу́ра - эмпирическое наблюдение, сделанное в 1965 году (через шесть лет после изобретения интегральной схемы), в процессе подготовки выступления Гордоном Муром (одним из основателей

Многослойные полупроводниковые структуры
Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-перехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетерост

Инжекционный вентиль. Принцип работы.
Базовый логический элемент (ЛЭ) в литературе называемый вентилем. Элементы интегрально-инжекционной логики выгодно отличаются простотой технологии и конструкции, так как состоят из биполярных транз

Расчет параметров интегрального резистора.
Все расчеты проводятся по упрощенной схеме с использованием табличных значений из справочника. Выбираем ширину базовой области для резистора: Низкоомные резисторы с номиналом R ≤ 1 к

Формула коэффициента усиления биполярного транзистора.
Одним из важнейших применений биполярного транзистора является усиление колебаний. На вход транзистора подаётся маломощный управляющийсигнал. Под действием входного переменного сигнала изменяются

Чем отличается реальная вольтамперная характеристика р-п перехода от теоретической.
Вольт- амперная характеристика p-n-перехода представляет собой зависимость тока через p-n-переход от величины и полярности приложенного напряжения. При выводе вольт- амперной характеристики можно п

Диод Шоттки (также правильно Шотки, сокращённо ДШ) - полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в качестве барьера

Как называются приборы, основанные на контакте металл-полупроводник.
Диод Шоттки (также правильно Шотки, сокращённо ДШ) - полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в

Нарисуйте схему устройства транзистора с изолированным затвором и объясните его принцип действия.
Транзисторы с изолированным затвором.Полевой транзистор с изолированным затвором – это транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. Фи

Объясните принцип действия динистора.
Тиристоры - это общее название четырехслойных и пятислойных полупроводниковых приборов, имеющих структуру типа P-N-P-N или P-N-P-N-P. Динистор - это тиристор, который имеет только два выво

Назовите параметры тиристоров.
Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя (или более) p-n-переходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который испол

Что такое заказные и полузаказные интегральные схемы.
В отличие от стандартных интегральных схем (ИС), заказные интегральные схемы (Customer Specific Integrated Circuit - CSIC) разрабатываются в соответствии с требованиями заказчика и предназначены дл

Ависимость емкости конденсатора (МДП - процесс) от полярности подаваемого напряжения
Одним из наиболее распространенных методов изучения свойств структур металл - диэлектрик - полупроводник является метод, основанный на анализе зависимости емкости МДП-структуры CМДПот на

Зависимость емкости конденсатора (МДП - процесс) от частоты.
При экспериментальном измерении вольт-фарадных характеристик МДП-структур важное значение имеет частота измерительного сигнала ω. Это связано с тем, что процессы захвата и выброса на поверхнос

Зависимость емкости конденсатора (биполярный тех.процесс) от напряжения.
В качестве конденсаторов, т. е. пассивных элементов полупро­водниковых ИМС, чаще всего находят применение обратно-смещенные р-n переходы, возможно использование прямо-смещенных переходов. Кр

Нарисуйте график зависимости мощности потребления от частоты для КМОП-схем.
Обеспечение работы КМОП-схем в маломощном режиме Имеется несколько типовых рекомендаций, которых следует придерживаться для того, чтобы добиться работы КМОП-приборов в режиме с низким знач

Нарисуйте вертикальную структуру биполярного транзистора с диодом Шоттки.
Наибольшее распространение получили транзисторы, имеющие вертикальную структуру, в которой все выводы от областей транзистора расположены в одной плоскости на поверхности подложки Такая структура н

Принцип построения кольцевого генератора.
Кольцевые генераторы наиболее широко используют для измерения средней задержки ЛЭ в составе БИС. Эти ЛЭ имеют очень малые емкости нагрузки по сравнению с входной емкостью измерительного прибора, на

Принцип работы логического вентиля с тремя устойчивыми состояниями.
В ЛЭ КМОП очень просто реализуют элементы с тремя устойчивыми состояниями. Для этого последовательно с транзисторами инвертора включают два комплементарных транзистора VT1, VT4 (рисунок 20,а), упра

Влияние температуры на параметры биполярного транзистора.
Влияние температуры на работу биполярного транзистора обусловлено тремя физическими факторами: уменьшением потенциальных барьеров в переходах, увеличением тепловых токов переходов и увеличением коэ

На участке соприкосновения двух разных сред - полупроводника и металла, была выдвинута гипотеза, что в его основе лежит так называемый туннельный эффект носителей заряда. Однако на тот момент (1932 год) уровень развития полупроводниковых технологий не позволил подтвердить догадку опытным путем. Лишь в 1958 году японский ученый Есаки сумел блестяще ее подтвердить, создав первый в истории туннельный диод. Благодаря его удивительным качествам (в частности, быстродействию), данный прибор привлек внимание специалистов различных технических областей. Здесь стоит пояснить, что диод - это электронный прибор, представляющий собой объединение в едином корпусе двух различных материалов, обладающих разными типами проводимости. Поэтому электрический ток может проходить по нему только в одном направлении. Смена полярности приводит к «закрытию» диода и росту его сопротивления. Увеличение напряжения приводит к «пробою».

Рассмотрим, как работает туннельный диод. Классический выпрямительный использует кристаллы с количеством примесей не более 10 в степени 17 (-3 степень сантиметра). А так как данный параметр непосредственно связан с числом свободных носителей заряда, то получается, что последних никогда не может быть больше указанной границы.

Существует формула, позволяющая определить толщину промежуточной зоны (перехода p-n):

L = ((E*(Uk-U))/(2*Pi*q))*((Na+Nd)/(Na*Nd))*1050000,

где Na и Nd - количество ионизованных акцепторов и доноров соответственно; Pi - 3.1416; q - значение U - подведенное напряжение; Uk - разность потенциалов на участке перехода; E - значение

Следствием из формулы является тот факт, что для p-n перехода классического диода характерны низкая напряженность поля и относительно большая толщина. Чтобы электроны могли попасть в свободную зону, им требуется дополнительная энергия (сообщаемая извне).

Туннельный диод использует в своей конструкции такие виды полупроводников, которые изменяют содержание примесей до 10 в степени 20 (-3 степень сантиметра), что на порядок отличается от классических. Это приводит к кардинальному уменьшению толщины перехода, резкому повышению напряженности поля в области p-n области и, как следствие, возникновению туннельного перехода, когда электрону для попадания в валентную зону не нужна дополнительная энергия. Это происходит потому что частицы не изменяется при прохождении барьера. Туннельный диод легко отличить от обычных по его Указанный эффект создает на ней своеобразный всплеск - отрицательное значение дифференциального сопротивления. Благодаря этому туннельные диоды получили широкое распространение в высокочастотных устройствах (уменьшение толщины p-n промежутка делает такой прибор быстродействующим), точной измерительной аппаратуре, генераторах и, конечно же, вычислительной технике.

Хотя ток при способен протекать в обоих направлениях, при прямом подключении диода напряженность в зоне перехода возрастает, уменьшая количество электронов, способных на туннельное прохождение. Увеличение напряжения приводит к полному исчезновению туннельного тока и воздействие оказывается лишь на обычный диффузный (как в классических диодах).

Также существует еще один представитель подобных приборов - обращенный диод. Он представляет собой тот же туннельный диод, но с измененными свойствами. Отличие в том, что значение проводимости при обратном подключении, в котором обычный выпрямляющий прибор «закрывается», у него выше, чем при прямом. Остальные свойства соответствуют туннельному диоду: быстродействие, малые собственные шумы, способность выпрямлять переменные составляющие.

Предложенный в 1958 г. японским ученым Л. Ёсаки туннельный диод изготавливается из германия или арсенида галлия с высокой концентрацией примесей (10 19 – 10 20 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 10 6 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 тyнельный эффект. Он состоит в том, что согласно законам квантовой физики при достаточно малой высоте потенциального барьера возможно проникновение электронов через барьер без изменения их энергии. Такой туннельный переход электронов с энергией, меньшей высоты потенциального 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 п – р -переходе границы всех зон в одной из областей сдвинуты относительно соответствующих зон другой области на высоту потенциального барьера, выраженную в электрон-вольтах.

Рис. 77. Энергетические диаграммы n – p- перехода в туннельном диоде при различном приложенном напряжении

На рис. 77, используя энергетические диаграммы, мы изобразили 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 на рис. 77а 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 не заштрихованные горизонтальными линиями участки, которые соответствуют уровням энергии, не занятым электронами. Как видно, в зоне проводимости полупроводника п -типа и в валентной зоне полупроводника р -типа имеются занятые электронами уровни, которым соответствуют одинаковые энергии. Поэтому возможен туннельный переход электронов из области п в область р (прямой туннельный ток i пр) и из области р в область п (обратный туннельный ток i обр). Эти два тока одинаковы по значению, и результирующий ток равен нулю.

На рис. 77б показана диаграмма при прямом напряжении 0,1 В, за счет которого потенциальный барьер понизился 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 с такими же энергиями, как энергии уров­ней, занятых электронами в зоне проводимости области п . А переход электронов из валентной зоны области р в область п невозможен, так как уровни, занятые электронами в валентной зоне области р , соответствуют в области п энергетическим уровням запрещенной зоны. Обратный туннельный ток отсутствует, и результирующий ток достигает максимума. В промежуточных случаях, например, когда u пр = 0,05 В, существует и прямой, и обратный туннельный ток, но обратный ток меньше прямого. Результирующим будет прямой ток, но он меньше максимального, получающегося при u пр = 0,1 В.

Случай, показанный на рис. 77в , соответствует u пр = 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 u пр < 0,2 В диффузионный ток гораздо меньше туннельного тока, а при u пр > 0,2 В диффузионный ток возрастает и достигает значений, характерных для прямого тока обычного диода.

На рис. 77г рассмотрен случай, когда обратное напряжение u обр = = 0,2 В. Высота потенциального барьера стала 1 эВ, значительно увеличилось число уровней, занятых электронами в валентной зоне p -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.

Вольтамперная характеристика туннельного диода (рис. 78) поясняет рассмотренные диаграммы. Как видно, при u = 0 ток равен нулю. Увеличение прямого напряжения до 0,1 В дает возрастание прямого тунельного тока до максимума (точка А ). Дальнейшее увеличение прямого напряжения до 0,2 В сопровождается уменьшением тунельного тока. Поэтому в точке Б получается минимум тока, и характеристика имеет падающий участок АБ , для которого характерно отрицательное сопротивление переменному току

После этого участка ток снова воз­растает за счет диффузионного прямого тока, характеристика которого на рис. 78 показана штриховой линией. Обратный ток получается такой же, как прямой, т. е. во много раз больше, нежели у обычных диодов.

Рис. 78. Вольтамперная характеристика Рис. 79. Простейшая схема

туннельного диода включения туннельного диода

для генерации колебаний

Основные параметры туннельных диодов – ток максимума I max , ток минимума I min (часто указывается отношение I max / I min , которое бывает равно нескольким единицам), напряжение максимума U 1 , напряжение минимума U 2 , наибольшее напряжение U 3 , соответствующее току I max на втором восходящем участке характеристики (участок БВ). Разность U = = U 3 – U 1 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 (доли наносекунды) и максимальная, или критическая, частота (сотни гигагерц).

Включая туннельный диод в различные схемы, можно его отрицательным сопротивлением компенсировать положительное активное сопротивление (если рабочая точка будет находиться на участке АБ) и получать 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. 79.

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 характеристики 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 через потенциальный барьер происходит в чрезвычайно малые промежутки времени: 10 –12 – 10 –14 с. 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, индуктив-ностью его выводов и его активным сопротивлением.

Принцип усиления с туннельным диодом показан на рис. 80. Для получения режима усиления необходимо иметь строго определенные значения Е и R н.Сопротивление R н должно быть немного меньше абсолютного значения отрицательного сопротивления 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 U m вх 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 U m вых,которая оказывается значительно больше амплитуды входного. Особенность усилителя на туннельном диоде – отсутствие отдельной входной и отдельной выходной цепи, 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.

Рис. 80. Простейшая схема усилителя с туннельным диодом (а ) и график, поясняющий процесс усиления (б )

Туннельный диод используется также в качестве быстродействующего переключателя, причем время переключения может быть около 1 нс, и даже меньше. Схема работы туннельного диода в импульсном режиме в общем случае такая же, как на рис. 80, но только входное напряжение представляет собой импульсы, а сопротивление R н должно быть несколько больше абсолютного значения отрицательного сопротивления диода.

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, а также малое потребление энергии от источника питания. 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.

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 проблемы замедления старения.

1. Физическая электроника. – М.: Наука, 1976. – 236 с.

2.Шимони К. Физическая электроника. – М.: Энергия, 1977. – 607 с.

3.Соболев В.Д. Физические основы электронной техники. – М.: Высш. шк., 1979. – 447 с.

4. Денискин Ю.Д., Жигарев А.А., Смирнов Л.П. Электронные приборы. –М.: Энергия, 1980. – 282 с.

5.Ушаков В.H. Электроника: от транзистора до устройства. – М.: Радио и связь, 1983. – 320 с.

6. Гусев В.Г. Электроника. – М.: Высш. шк., 1991. – 621 с.

7. Ткаченко Ф.А. Техническая электроника: Учеб. пособие для ст-тов вузов. – Минск: Дизайн-ПРО, 2002. – 351 с.

На рис. 5.1а приведена вольт-амперная характеристика туннельного диода. Особенность этой характеристики заключается в следующем. В области обратных напряжений обратный ток растет очень быстро с повышением напряжения, т. е. туннельный диод обладает весьма малым обратным дифференциальным сопротивлением. В области прямых напряжений с увеличением напряжения прямой ток сначала растет до пикового значения при напряжении в несколько десятков милливольт, а затем начинает уменьшаться (участок АВ, в пределах которого туннельный диод обладает отрицательной проводимостью. Ток спадает до минимального значения I2 при напряжении порядка нескольких сотен миливольт, в дальнейшем прямой ток вновь начинает увеличиваться с ростом напряжения.

Заштрихованная область вольт-амперной характеристики (рис.5.1 а) соответствует так называемому избыточному току туннельного диода. На этом участке ток туннельного диода определяется суммой двух токов: прямым туннельным током и током диффузии. Однако многочисленные экспериментальные исследования показали, что ток I 2 реального туннельного диода существенно больше тока I 2 идеализированного туннельного диода. Разность этих токов называют избыточным током. Установлено, что он в основном зависит от концентрации технологически неконтролируемых примесей и степени легирования исходного материала, но окончательно природа избыточного тока неясна.

Дифференциальная проводимость G при изменении смещения от 0 до U 3 дважды (в точках, соответствующих напряжениям U 1 и U 2) обращается в нуль, т. е. туннельный диод способен дважды разорвать внешнюю электрическую цепь, превращаясь из пассивного элемента в активный и наоборот. Это обстоятельство привело к широкому применению туннельных диодов в импульсной технике.

Ток, протекающий через туннельный диод, содержит пять составляющих:

Туннельный ток , обусловленный туннельным переходом электронов из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области;

Туннельный ток , обусловленный туннельным переходом электронов из зоны проводимости n-области в валентную зону р-области;

Дрейфовый ток неосновных носителей обеих областей через р-п переход I др;

Диффузионный ток основных носителей обеих областей через р-n переход I диф;

Так называемый избыточный ток, который можно рассматривать как частный случай тока - туннельного перехода носителей с использованием разрешенных (примесных или дислокационных) уровней в запрещенной зоне.

Таким образом, результирующий ток через переход

а) б)

в)

Рис. 5.1. Характеристики туннельного диода: а), в) вольт-амперные; б) зависимость проводимости диода от напряжения

Подчеркнем различие между туннельными токами сквозь барьер и дрейфовым и диффузионным токами через барьер; в первом случае электроны переходят из валентной зоны одной области в зону проводимости другой области или в обратном направлении; во втором случае электроны (или дырки) переходят из зоны проводимости (валентной) одной области в ту же самую зону другой области. На рис. 5.1 в вольт-амперная характеристика туннельного диода представлена как зависимость суммы токов I n р, I p n и обычного диодного (диффузионного и дрейфового) тока от приложенного напряжения.

Теперь рассмотрим более подробно вольт-амперную характеристику туннельного диода по выделенным на ней отдельным точкам (а, б, в, г, д, е, ж, рис. 5.2):

а) при нулевом смещении электронам проводимости n-области противостоят валентные электроны р-области (рис. 5.2, а). Если все указанные уровни заполнены, то туннельные переходы невозможны. В действительности при комнатной температуре некоторая часть этих уровней освобождается за счет электронов, переброшенных на уровни, расположенные выше уровня Ферми. Поэтому существует определенная вероятность, что валентный электрон р-области, не меняя своей энергии, совершит туннельный переход и займет соответствующий уровень в зоне проводимости n-области. Существует точно такая же вероятность туннельного перехода электрона проводимости n-области в валентную зону p-области. Так как эти вероятности одинаковы, то встречные потоки электронов, совершающих туннельные переходы, взаимно компенсируются и суммарный туннельный ток оказывается равным нулю (I Т =0, рис. 5.2, а). При дальнейших рассуждениях эти составляющие учитываться не будут;

Рис. 5.2. Энергетические диаграммы туннельного диода при различных напряжениях смещения и его вольт-амперная характеристика

б) если к p-n-переходу приложить небольшое прямое напряжение, то энергетические уровни р-области понизятся относительно энергетических уровней n-области (рис. 5.2, б). В этом случае уровни некоторых электронов проводимости n-области расположатся против свободных уровней, находящихся в валентной зоне р-области, что создает благоприятные условия для их туннельного перехода. Поэтому в р-n-переходе появится туннельный ток, величина которого будет зависеть от смещения энергетических зон, т. е. от приложенного прямого смещения (туннельный ток протекает от р-области к n-области в направлении, противоположном движению электронов);

в) при увеличении прямого смещения туннельный ток будет увеличиваться до тех пор, пока не произойдет совмещение уровня Ферми n-области с верхним уровнем валентной зоны р-области. В этом случае туннельный ток достигает максимума, так как против уровней электронов проводимости n-области располагаются все свободные уровни валентной зоны р-области, превышающие уровень Ферми (рис. 5.2, в);

г) при дальнейшем увеличении прямого смещения некоторые уровни электронов проводимости n-области располагаются против запрещенной зоны р-области и туннельный ток уменьшается (рис. 5.2, г). В результате на вольт-амперной характеристике получается участок с отрицательным сопротивлением;

д) при некотором значении прямого напряжения зона проводимости n-области и валентная зона р-области начинают расходиться и туннельный ток прекращается (рис.5.2,д,е);

е) при прямом напряжении в р-n-переходе наряду с туннельным током появляется диффузионный ток, как у обычного диода (на вольт-амперной характеристике он показан штриховой линией). При расхождении зоны проводимости n-области с валентной зоной р-области (начиная с точки д) существует только диффузионный ток и туннельный диод при таком условии подобен обычному диоду, включенному в прямом направлении (рис.5.2, д, е);

ж) при обратном смещении р-n-перехода туннельного диода валентная зона р-области перекрывается с разрешенными и незаполненными уровнями зоны проводимости n-области. При этом возникают условия для относительно свободного туннельного прохождения валентных электронов р-области в зону проводимости n-области. В результате этого появляется значительный туннельный ток обратного направления, величина которого очень сильно зависит от смещения зон, т. е. от величины обратного напряжения (рис. 5.2, ж).

Рис. 5.3. Вольт-амперные характеристики германиевых и арсенидгаллиевых туннельных диодов

На рис. 5.3 приведены для сравнения вольтамперные характеристики туннельных диодов из различных полупроводниковых материалов. Из рисунка видно, что диоды из арсенида галлия обладают наибольшим отношением I 1 /I 2 и напряжением переключения  U n .

Из вышесказанного следует, что туннельный диод не имеет запирающего направления. Рабочим участком вольт-амперной характеристики туннельного диода является участок в-д (рис.5.2), на котором он обладает отрицательным динамическим (дифференциальным) сопротивлением:

R i =dU/dI < 0 (5.2)

Минимальное абсолютное значение этого сопротивления является одним из основных параметров туннельного диода. Для различных типов диода оно имеет значение от единиц до десятков Ом.

Другими основными параметрами туннельных диодов являются (рис. 5.1 а ):

Максимальный прямой ток I 1 в точке максимума вольт-амперной характеристики;

Минимальный прямой ток I 2 в точке минимума вольт-амперной характеристики;

Отношение токов в максимуме и в минимуме вольтамперной характеристики I 1 /I 2 ;

Отрицательная дифференциальная проводимость G на участке АВ в точке максимума производной;

Напряжение переключения ΔU n = U 3 -U 1 , которое определяет возможный скачок напряжения на нагрузке при работе туннельного диода в схеме переключения;

Барьерная емкостьC(U 2) диода, которая обычно измеряется при минимуме тока.

Емкость в максимуме тока равна C(U 1) 0,8C(U 2).

Напряжения, соответствующие максимальному и минимальному значениям тока U 1 и U 2 ,

Напряжение раствора U 3 , соответствующее максимальному току на второй восходящей ветви вольт-амперной характеристики.

При увеличении прямого напряжения монотонно увеличивают пропускаемый ток. В туннельном диоде квантово-механическое туннелирование электронов добавляет прогиб в ВАХ , при этом из-за высокой степени легирования p- и n-областей напряжение пробоя уменьшается практически до нуля. Туннельный эффект позволяет электронам преодолеть энергетический барьер в зоне перехода с шириной 50-150 Å при таких напряжениях, когда зона проводимости в n-области имеет равные энергетические уровни с валентной зоной р-области. При дальнейшем увеличении прямого напряжения уровень Ферми n-области поднимается относительно р-области, попадая на запрещённую зону р-области, а поскольку туннелирование не может изменить полную энергию электрона , вероятность перехода электрона из n-области в p-область резко падает. Это создаёт на прямом участке ВАХ участок, где увеличение прямого напряжения сопровождается уменьшением силы тока. Данная область отрицательного дифференциального сопротивления и используется для усиления слабых сверхвысокочастотных сигналов.

История изобретения

В начале 1920-х годов в России Олег Лосев обнаружил кристадинный эффект в диодах из кристаллического ZnO, выращенного гидротермально из водного раствора гидроксида цинка и цинката калия - эффект отрицательного дифференциального сопротивления. Механизм возникновения отрицательного дифференциального сопротивления в опытах Лосева неясен. Большинство специалистов предполагают, что он вызван туннельным эффектом в полупроводнике, но прямых экспериментальных подтверждений этого объяснения пока не получено . В то же время, возможным механизмом эффекта может быть лавинный пробой или другие физические эффекты , приводящие к возникновению отрицательного дифференциального сопротивления. При этом кристадин и туннельный диод это разные устройства, и отрицательное дифференциальное сопротивление у них проявляется на разных участках ВАХ.

Впервые туннельный диод был изготовлен на основе в 1957 году Лео Эсаки , который в 1973 году получил Нобелевскую премию по физике за экспериментальное обнаружение эффекта туннелирования электронов в этих диодах.

Применение

Наибольшее распространение на практике получили туннельные диоды из , GaAs , а также из