Туннельный диод: принцип работы, ВАХ и обозначение на схеме

Как устроен туннельный диод?

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.

Туннельный диод.
Туннельный диод.

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.

График работы туннельного диода.
График работы туннельного диода.

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:

  1. пиковый ток и ток впадины;
  2. пиковое напряжение и напряжение впадины;
  3. удельная ёмкость;
  4. 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.

Схема работы туннельного диода.
Схема работы туннельного диода.

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.

Материал по теме: Что такое реле времени

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.

Будет интересно➡  Что такое эффект Ганна и при чем здесь диоды

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.

Параметры туннельных диодов
Таблица основных параметров туннельных диодов.

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.

Туннельный диод.
Туннельный диод.

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.

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.

Диоды в упаковке.
Диоды в упаковке.

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.

Будет интересно➡  Что такое фотодиод

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.

Размер туннельного диода.
Размер туннельного диода.

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.
Будет интересно➡  Как работает диод с барьером Шоттки

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.

Диод на схеме.
Диод на схеме.

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).

Материал в тему: Что такое кондесатор

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

Более подробно об этом  можно узнать, прочитав статью Особенности работы туннельного диода. В нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессиональных электронщиков. Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vk.com/electroinfonet.

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

www.kipiavp.ru

www.eandc.ru

www.window.edu.ru

www.shema.ru

Ссылка на основную публикацию
Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять