Вопрос 18

Туннельным диодом называют полупроводниковый диод, изготовленный на основе сильнолегированного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на ВАХ участка с отрицательным дифф-ным сопротивлением.

Использование полупроводников с очень высокой концентрацией примесей уменьшает ширину p-nперехода приблизительно на 2 порядка по сравнению с обычными диодами. Поэтому электроны, имеющие энергии, меньшие, чем высота энергетического барьера, тунеллируют сквозь этот тонкий барьер без изменения своей энергии.

Для существования туннельных переходов необходимо выполнение следующих условий:

1. наличие тонкого барьера, при котором квадрат амплитуды волновой функции электрона (вероятность тунеллирования) = 1

2. напряженность электрического поля должна достигать 3..5 кВ/см

3. для электрона, находящегося по одну сторону барьера, должен существовать вакантный уровень по другую сторону барьера с энергией этого электрона.

Рис 35 эквивалентная схема туннельного диода

Кроме емкости перехода и его сопротивления схема содержит сопротивление потерь (rs) и индуктивность выводов (Ls). Индуктивность является паразитным элементом схемы и ограничивает верхний частотный диапазон также как и емкость перехода. Обычно индуктивность составляет величину порядка, а емкость С=5…50пФ. Величина сопротивления потерь от десятых долей Ома до единиц Ома.

Туннельный механизм прохождения тока через переход обладает очень малой инерционностью, поскольку создание тока в нем не связано с накоплением неравновесного заряда, ток создается только основными носителями. Предельная резистивная частота может быть найдена:

резонансная частота:

Разработка конструкции туннельных диодов требует выполнения условия: .

Для этого индуктивность выводов должна быть по возможности минимальной.

Рис 36 корпус туннельного диода

выводы с целью уменьшения индуктивности ленточные и короткие. В диапазон СВЧ используют патронную конструкцию.

Достоинством туннельных диодов является высокие рабочие частоты (вплоть до СВЧ), низкий уровень шумов, высокая радиационная стойкость, температурная устойчивость, большая плотность тока.

К недостаткам следует отнести: малую отдаваемою мощность из-за низких рабочих напряжений и сильную электрическую связь между входом и выходом, что во многих случаях затрудняет использование диодов.

ВАХ туннельного диода

Параметрами туннельных диодов являются:

1. пиковый ток Iп (от десятых долей мА до сотен мА)

2. ток впадины Iв

3. отношение токов

4. напряжение пика Uп, соответствующее токуIп

5. напряжение впадины – прямое напряжение, соответствующее току впадины

6. напряжение раствора – это напряжение, соответствующее пиковому току на второй восходящей ветви ВАХ (Uрр)

7. предельная резистивная частота

8. частотная емкость туннельного диода

9. резонансная частота туннельного диода.

Обращенные диоды

Полупроводниковый диод, изготовленный из материала с концентрацией примесей в pиnобластях меньшей чем, в туннельных диодах, но большей, чем в обычных, имеют своеобразную ВАХ, обращенную по сравнению с ВАХ обычных диодов. Такой диод является разновидностью туннельных и называетсяобращенным

Рис 37 ВАХ обращенного диода

Обращенные диоды целесообразно использовать при выпрямлении малых переменных сигналов, составляющих несколько десятых долей вольта.

Поскольку принцип действия обращенных диодов основан на туннельном эффекте, их можно использовать в быстродействующих переключающих схемах или в схемах детекторов СВЧ