Туннельные_диоды_принцип_действия

Туннельные_диоды_принцип_действия

Туннельный диод: подробно 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). 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

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.

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.

Читайте также:  Саундбар_со_встроенным_сабвуфером

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 возрастает и достигает значений, характерных для прямо­го тока обычного диода.

Читайте также:  Как_посадить_горчицу_на_даче

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.

Туннельные диоды принцип действия

Туннельные диоды — это "экзотические" полупроводниковые приборы, про которые многие начинающие радиолюбители даже не слышали. Они по целому ряду причин не нашли широкого применения в радиоэлектронной аппаратуре, но, тем не менее, их использование в некоторых устройствах может оказаться весьма полезным. Для того чтобы знать, чего можно "потребовать" от этого диода, желательно хотя бы приблизительно представлять, как и откуда в нем все эти "туннельные чудеса"берутся.

Началось все это еще в прошлом веке, в 1928 году, когда Гейзенберг "придумал"принцип неопределенности. Смысл его заключается в том, что невозможно одновременно точно определить местонахождение частицы (например, электрона) и ее импульс (тот же импульс, который проходили в школе "под именем" mv, в квантовой механике обозначается буквой р). А выглядит это соотношение совсем не страшно и может быть записано следующим образом:

где D р — погрешность определения импульса;

D х — погрешность определения положения (координаты).

Справа в этом неравенстве стоит невообразимо маленькое число — постоянная Планка h. Это очень приблизительно равно 6,6*10 -34 Дж-с.

Теперь, для того чтобы хотя бы смутно понять, что означает в микромире этот самый принцип неопределенности Гейзенберга, придется мысленно совершить невообразимое кощунство. Предположим, что правая часть неравенства (1) равна, ну хотя бы, единице. Тогда, если бы это было так, то очень даже запросто могло бы получиться, что купленный вами 1 кг колбасы, будучи положенным в вашей кухне на стол (зафиксируем погрешность импульса колбасы Др с точностью 5% или 0,05), может быть съеден соседом (обратите внимание!) у себя на кухне. Ведь в нашем воображаемом случае колбаса может оказаться где угодно в пределах Дх, которое в данном случае окажется равно

Причем наличие стены между кухнями для колбасы совершенно несущественно. Конечно, это все-таки очень абстрактный пример, но приблизительное толкование принципа неопределенности дает (хозяин не знает, где "бродит" колбаса).

В туннельных диодах, изготовленных из полупроводников с высокой степенью легирования (вырожденных полупроводников), запорный слой настолько тонок (=5 нанометров, т.е. 5*10 -9 м), что электроны при определенном напряжении "просачиваются" на другую сторону запорного слоя (как в приведенном примере ваша колбаса — за стену, на кухню к соседу). Это и называется "туннельным эффектом".

На рис.1 показаны вольтамперные характеристики обычного (а) и туннельного (б) диодов. Обычный диод, надеюсь, всем известен, и поэтому разбираться с ним не будем.


Рис. 1

В данный момент нас больше интересует именно туннельный диод. Вольтамперная характеристика его весьма специфична. Конечно, с его помощью можно чего-нибудь и выпрямить, но "изюминку" представляет то место его вольтамперной характеристики, где имеется участок с так называемым "отрицательным сопротивлением" (зона Д1) на рис.1б). Этот "падающий" участок (напряжение растет, а ток уменьшается), находящийся в начале прямой ветви вольтамперной характеристики туннельного диода, прямо скажем, совсем небольшой. Поэтому у туннельного диода небольшие рабочее напряжение, ток и, соответственно, мощность.

Обычное "положительное" сопротивление, включенное в цепь сигнала, ослабляет этот сигнал. Графически (рис.1 а) получается, что с ростом напряжения растет ток, а сопротивление является коэффициентом пропорциональности между ними (как говорит закон Ома — I=U/R). Ну а если сопротивление отрицательное, то после порогового напряжения Uo с ростом напряжения ток начнет уменьшаться (рис.1б)!

Читайте также:  Схема_сборки_стула_из_дерева

В зоне отрицательного сопротивления состояние туннельного диода является неустойчивым. Обычно рабочая точка"перескакивает" через зону отрицательного сопротивления и устанавливается на следующем участке вольтамперной характеристики с "нормальным" сопротивлением.


Рис.2

Эти "неординарные" качества туннельного диода позволяют использовать его в самых различных устройствах. На одном туннельном диоде можно сделать даже супергетеродинный приемник, правда, в этом случае лучше не говорить о его характеристиках. Широкому использованию этого прибора мешает его малая мощность и не совсем удобные выходные напряжения (трудно согласовать с цифровыми микросхемами).

Тем не менее, на туннельном диоде можно делать достаточно простые устройства, обладающие рядом интересных свойств. Типовая схема включения туннельного диода показана на рис.2. Вольтамперная характеристика туннельного диода в виде, более удобном для детального рассмотрения, показана на рис.3. Здесь же показаны возможные нагрузочные характеристики, определяемые величиной R (прямые 1 и 2) для использования "туннельника" в триггерных режимах работы. Эти режимы отличаются порогами переключения (U1 и U2). В точках А и Б — устойчивые состояния рабочей точки.


Рис.3

Это позволяет создать генератор на "длинной" линии, активный элемент которого (туннельный диод) работает в триггерном режиме. Схема одного из вариантов такого генератора приведена на рис.4. Он построен на элементе очень быстродействующей эммитерно-связанной логики (ЭСЛ). С помощью резистора R1 выбирают режим работы туннельного диода VD1, Длинной линией L1 служит отрезок коаксиального (например, телевизионного) кабеля, на конце которого центральная жила соединяется с оплеткой. Частота генерируемых колебаний определяется длиной линии L1. Диод VD2 — кремниевый, например, КД522А, и предназначен для смещения напряжения на выходе генератора в область входных напряжений микросхемы ЭСЛ. Для уменьшения сопротивления переменному току, параллельно диоду можно включить керамический конденсатор небольшой емкости. Туннельный диод должен быть арсенид-галлиевым, например, ЗА201А.

Генератор работает следующим образом. При переключении туннельного диода, от него по линии L1 распространяется импульс в направлении закороченного конца. Отразившись там в противофазе и вернувшись к диоду, импульс переключает его и тем самым посылает в линию следующий импульс. Каждый пришедший импульс переключает триггер на диоде в противоположное состояние. Таким образом, на аноде туннельного диода VD1 возникает переменное напряжение прямоугольной формы с частотой

где t — время прохождения импульсом линии L1.

Следует отметить, что стабильность частоты определяется стабильностью параметров линии.

Генератор самостоятельно не начинает работать после включения питания и требует внешнего запуска. Запустить генератор можно, касаясь пинцетом анода туннельного диода. Такой запуск годится только для наладки. Но эта схема приведена для пояснения принципа работы генератора на туннельном диоде.

Другой вариант схемы приведен на рис.5. Отличается он отсутствием емкости, включенной между линией L1 и диодом, а также закорачивающей перемычки на конце линии. Это устройство обладает одним интересным свойством. Изменение импеданса линии на открытом конце приводит к изменению частоты генерируемых колебаний. Фактически этот генератор может служить датчиком для самых различных устройств. Например, если сделать линию L1 участком трубопровода, то, дополнив такой генератор некоторыми элементами, можно будет по изменению частоты судить о качестве протекающих по трубопроводу нефтепродуктов. Открытый конец линии (кабеля) чувствителен к приближению к нему каких-либо предметов, что делает его пригодным для использования в качестве датчика перемещения или индикатора появления объекта в охранных системах.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector