Температурные зависимости параметров

Изменение температуры туннельного диода может по-разному влиять на туннельную составляющую тока и на составляющую, связанную с инжекцией.

На температурную зависимость туннельной составляющей тока могут влиять следующие физические факторы:

1. С повышением температуры уменьшается ширина запрещенной зоны арсенида галлия и германия − основных исходных полупроводниковых материалов для туннельных диодов. Уменьшение ширины запрещенной зоны приводит к уменьшению толщины потенциального барьера, сквозь который туннелируют электроны, при этом вероятность туннелирования растет. Туннельная составляющая тока и, в частности, пиковый ток увеличиваются.

2. При увеличении температуры изменяется распределение электронов по энергетическим уровням − количество электронов под уровнем Ферми в зоне проводимости n-области уменьшается, так как часть свободных электронов переходит на более высокие энергетические уровни, а уровень Ферми смещается вниз. Поэтому уменьшается число электронов, которые могут туннелировать из n-области в р-область. Туннельная составляющая прямого тока уменьшается.

Так как эти факторы действуют в разные стороны, то суммарное их влияние, во-первых, должно быть малым, а во-вторых, оно может привести как к увеличению, так и к уменьшению пикового тока туннельного диода с увеличением температуры.

Инжекционная составляющая тока туннельного диода растет с увеличением температуры по двум причинам, имеющим место и в выпрямительных диодах: уменьшение высоты потенциального барьера и перераспределение носителей заряда по энергетическим уровням. Поэтому у туннельного диода ток впадины растет с увеличением температуры.

Частотные свойства туннельных диодов

Механизм действия туннельных диодов связан с туннелированием электронов сквозь потенциальный барьер. Время, необходимое для завершения этого процесса, составляет 10^-13…10^-14 с. Эффекта накопления неосновных носителей в базе туннельных диодов практически нет, так как они используются при малых напряжениях, соответствующих падающему участку ВАХ (с отрицательным дифференциальным сопротивлением). Поэтому туннельные диоды способны работать на частотах до сотен гигагерц, что соответствует миллиметровому диапазону радиоволн. Верхний предел частотного диапазона работы туннельных диодов ограничен лишь паразитными реактивностями − собственной емкостью, основу которой составляет барьерная емкость р-п-перехода, и индуктивностью выводов и корпуca.

Для анализа и расчета параметров, характеризующих частотные свойства туннельных диодов, воспользуемся эквивалентной схемой туннельного диода для малого переменного сигнала при наличии постоянного напряжения, которое смещает рабочую точку на падающий участок ВАХ. Эквивалентная схема туннельного диода отличается от эквивалентной схемы обычного диода только тем, что здесь вместо активного сопротивления перехода введено отрицательное дифференциальное сопротивление r_диф и учитывается индуктивность выводов L_в (рис. 3).

Рис. 3. Эквивалентная схема (а) и условное обозначение (б) туннельного диода

Полное сопротивление туннельного диода при малом синусоидальном напряжении

. (1)

где g = 1/r_диф – отрицательная дифференциальная проводимость туннельного диода.

Отрицательное дифференциальное сопротивление у туннельного диода будет существовать, если вещественная часть полного сопротивления будет меньше нуля. т. е. при

. (2)

При большой частоте второе слагаемое в вещественной части (1) окажется меньше (по абсолютному значению) первого слагаемого. Это значит, что туннельный диод при больших частотах не будет обладать отрицательным дифференциальным сопротивлением. Определим предельную резистивную частоту, на которой активная составляющая полного сопротивле­ния туннельного диода обращается в нуль, т. е. неравенство (2) обращается в равенство

.

Отсюда

. (3)

Из соотношения (3) видно, что предельная резистивная частота туннельного диода зависит от соотношения сопротивления базы диода и абсолютного значения отрицательного дифференциального сопротивления. Для нахождения экстремальных значений предельной резистивной частоты надо продифференцировать (3) по и приравнять полученное выражение нулю. Тогда получим условие

, (4)

при выполнении которого предельная резистивная частота будет максимальной. Связь ее с параметрами эквивалентной схемы можно получить, подставив (4) в (3):

. (5)

Усредненное отрицательное дифференциальное сопротивление можно представить в виде

.

Если полученное соотношение подставить в (5), то получим

.

Поэтому отношение емкости туннельного диода к пиковому току является одним из основных параметров туннельного диода, который характеризует его частотные свойства.

В туннельном диоде, имеющем паразитную индуктивность и емкость, при некоторой частоте могут возникнуть условия для резонанса, что нарушит нормальную работу схемы с туннельным диодом. Поэтому резонансная частота туннельного диода f₀ является еще одним параметром, характеризующим частотные свойства туннельного диода.

Резонансную частоту туннельного диода можно определить из соотношения (1) при условии равенства нулю мнимой части полного сопротивления диода:

,

тогда

. (6)

Туннельные диоды должны быть сконструированы так. Чтобы резонансная частота была выше предельной резистивной частоты (ω₀ > ω_R), тогда возможные нежелательные резонансные явления возникают только на частотах, на которых туннельный диод уже не будет обладать отрицательным дифференциальным сопротивле­нием. Неравенство (ω₀ > ω_R) с учетом соотношений (6) и (3) преобразуем следующим образом: L < r_Б С_пер.

Следовательно, индуктивность эквивалентной схемы туннель­ного диода, которая определяется в основном индуктивностью внутренних и внешних выводов диода, должна быть по возмож­ности малой. Поэтому внутренние и внешние выводы у туннельных диодов делают не из тонкой проволоки, а в виде лент, мембран, пластин и т. п.

Частота f_р составляет обычно десятки и сотни тысяч мегагерц. Чтобы уменьшить емкость, делают малую площадь p-n-перехода, поэтому туннельные диоды, как правило, маломощны.

Применение туннельных диодов. Основные свойства тун­нельного диода обусловлены наличием на его ВАХ участка с от­рицательным дифференциальным сопротивлением. На приборах с таким сопротивлением создают схемы переключения токов и напряжений в различных логических устройствах, схемы генерирования и усиления электрических сигналов.

Важнейшее свойство туннельного диода − это высокое быстродействие, обусловленное туннельным эффектом. Кроме того, туннельный диод достаточно хорошо сохраняет свои экс­плуатационные свойства как при изменении температуры окру­жающей среды, так и при воздействии радиации. Это температурно стабильный и радиационно стойкий прибор. Такие ценные свойства обусловлены тем, что туннельный диод ра­ботает на основных носителях заряда, концентрация которых незначительно зависит от температуры и радиации в рабочем диапазоне.

Изготовляют туннельные диоды из таких полупроводни­ковых материалов как германий, арсенид галлия и антимонид галлия.