Где применяются туннельные диоды

Туннельные диоды

Туннельные диоды обладают особыми свойствами, не характерными аналогичным устройствам с тем же названием. Если обычные диоды пропускают ток лишь в одном направлении, то туннельные приборы имеют участок на своей вольт-амперной характеристике, при котором возможно обратное движение тока. Такое свойство обусловлено так называемым туннельным эффектом, из-за которого диод и получил свое название.

Особенности и технические характеристики

Одной из характерных черт устройства, о котором идет речь, является его очень малое электрическое сопротивление. Из-за этого его относятся к классу так называемых вырожденных. Кроме этого, прибор характеризуется следующими параметрами:

• Очень тонкий p-n переход. Он в несколько десятков раз меньше, чем у традиционных диодов.
• Потенциальный барьер вдвое и более раз больше, чем у аналогов (конкретные значения отличаются у разных моделей).
• При отсутствии питания в схеме присутствует напряженность поля. Соответствующее значение находится в пределах 100 В/см (может отличаться у разных моделей).

Благодаря уникальным свойствам туннельный диод способен пропускать обратный ток. Для включения соответствующего режима нужно лишь подать небольшой электрический сигнал (изменить приходящее напряжение).

Также указанный полупроводник характеризуется следующими параметрами:

• пиковое значение тока прямой направленности;
• максимальное напряжение при пиковом токе;
• минимальные напряжение и ток;
• диапазон скачка напряжений (между его минимальным и максимальным значениями);
• емкостная характеристика.

Благодаря своим свойствам СВЧ диоды обладают такими преимуществами:

• очень высокое быстродействие, и, как следствие, малая инерционность;
• на прибор практически не действует ионизированное излучение (благодаря используемым при производстве материалам и сплавам);
• низкое энергопотребление;
• малые масса и габаритные размеры (масса обычно не превышает 1 грамма, а значение размеров зависит от модели, однако обычно не превышает 3-4 мм в длину или в диаметре).

Однако у туннельных диодов есть и недостатки. Первый — быстрое старение и утрата эксплуатационных характеристик. Причем это может случиться даже не в процессе эксплуатации, а просто при длительном хранении, например, на складе. Такое свойство обусловлено использованием специальных химических сплавов, используемых в конструкции прибора. Второй недостаток заключается в относительно высокой цене. Хотя этот показатель зависит от модели и производителя.

Область использования

Перед тем как купить туннельный диод , нужно не только знать его точные характеристики, но и области его применения. Из-за своих уникальных свойств этот полупроводник применяется в специальных электронных схемах. Например, в качестве:

• предварительных усилителей;
• сигнальных генераторов;
• переключателей высокочастотных сигналов.

Технические характеристики туннельных диодов позволяют их работать в схемах с очень высокой частотой. Ее приблизительный диапазон составляет до 30 и даже 100 ГГц. Точное значение и прочие характеристики необходимо обязательно уточнять перед покупкой.

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.

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.

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.

Как устроен туннельный диод

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.

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.

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

О работоспособности туннельного диода можно судить по характеру изменения тока при повышении/понижении напряжения, прилагаемого к детали. Для этой цели собирают несложную схему.

Источником тока в этой схеме выступает гальванический элемент, имеющий ток разряда 50 мА. Для проведения измерений берем миллиамперметр, у которого ток полного отклонения должен быть не меньше, чем ток проверяемого туннельного диода. Движок переменного резистора R1 выставляют в крайнее правое положение. Диод присоединяют к зажимам З1 и З2.

Движком уменьшают сопротивление резистора. Если деталь работоспособна, то ток, показываемый миллиамперметром, быстро возрастает, а затем, достигнув максимального значения, идет на резкое снижение и достигает минимума. Дальнейшее снижение сопротивления приводит к росту тока до первого максимального значения. Доводить величину тока до значения превышающего первый максимум, не рекомендуется.

5.9. Туннельный диод

В электрических установках, работающих при высокой частоте, в устройствах автоматики и телемеханики, радиоаппаратуре, ЭВМ, применяют туннельные диоды (ТД).

Туннельные диоды предложены японским физиком Есаки (Эсаки) в 1958 г.

ТД представляет собой полупроводниковый прибор с p-n-переходом, образованным материалами с высокой концентрацией атомов примесей. Электропроводность таких полупроводников приближена к электропроводности металла. Условное обозначение туннельного диода и его вольтамперная характеристика приведены на рис. 5.8. Туннельные диоды изготавливаются из германия и арсенида галлия и обладают так называемой N-образной ВАХ.

Рис. 5.8. Условное обозначение туннельного диода (а) и его

вольт-амперная характеристика (б)

Особенностями туннельных диодов являются:

1. малая толщина запорного слоя;
2. высокая напряженность электрического поля.

Эти особенности получены в результате использования сильно легированных полупроводниковых материалов (концентрация примесей составляет 10 19 -10 20 атомов на см 3 ). Такие полупроводники обладают очень малым удельным сопротивлением (в сотни или тысячи раз меньше, чем в обычных диодах) и называются вырожденными. Если приложить к ЭДП обратное напряжение, то напряженность электрического поля в нем возрастет еще больше и оно окажется способным вырывать валентные электроны из кристаллической решетки полупроводника p-типа, отрывать их от атомов и перебрасывать через p-n-переход в полупроводник n-типа, где они становятся основными носителями электричества. В отличие от обычного диода в ТД электроны перемещаются непосредственно из валентной зоны одного полупроводника в свободную зону другого. Энергия, которой они обладают, недостаточна для преодоления потенциального барьера p-n-перехода, и они проходят сквозь этот барьер под действием электрического поля высокой напряженности (более 10 5 В/см) по определенным каналам (туннелям). Такой механизм прохождения электрона через узкий p-n-переход называется туннельным эффектом. Так как число электронов в валентных связях полупроводника так же велико, как и число свободных электронов в металле, то при включении туннельного диода в обратном направлении его ВАХ принимает вид металлического проводящего контакта (в ней отсутствуют участки запирания с малым обратным током). Если к диоду приложить напряжение прямой полярности U_пр, то поле в ЭДП несколько ослабнет, но будет еще достаточным для создания туннельного эффекта. При большем увеличении U_пр туннельный эффект начинает исчезать, что приводит к появлению падающего участка аб на прямой ветви ВАХ с отрицательным сопротивлением (рис. 5.8, б). При дальнейшем повышении U_пр туннельный эффект полностью исчезает и происходит обычный процесс прохождения тока через p-n-переход и ВАХ становится как у обычного диода. Туннельный диод нельзя использовать для выпрямления переменного тока, так как он обладает высокой проводимостью при обратном включении. Его применяют для создания и усиления электрических колебаний. На участке аб (рис. 5.8, б) диод имеет отрицательное сопротивление, которое не вносит дополнительных потерь в электрическую цепь, а компенсирует потери энергии в других элементах за счет энергии источника питания. Поэтому если положительное сопротивление ослабляет электрические сигналы, то отрицательное может их усиливать. Преимущества ТД как усилителя сигналов: малые размеры, способность работать в широком диапазоне температур и на очень высоких частотах (до 40000 МГц), высокая температурная стабильность и малое потребление энергии. Основными параметрами ТД являются: 1) U_n, I_n – напряжение и ток пика соответственно – параметры в точке а на ВАХ (рис. 5.8, б); 2) U_в, I_в – напряжение и ток впадины – параметры в точке б на ВАХ; 3) U_nn – напряжение на второй восходящей части ВАХ, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому – точка в на ВАХ; 4) отношение тока пика к току впадины I_n/I_в. Для выпускаемых диодов I_n = 0,1-1000 мА, I_n/I_в = 3-30.