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.

а б

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 10¹⁹-10²⁰ атомов на см³). 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 10⁵ 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.