Туннельный диод

Туннельный диод - двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, в котором имеется очень узкий потенциальный барьер, препятствующий движению электронов. Вид вольтамперной характеристики (ВАХ) Т. д. определяется главным образом квантово-механическим процессом туннелирования, благодаря которому электроны проникают сквозь барьер из одной разрешенной области энергии в другую. Изобретение Т. д. впервые убедительно продемонстрировало существование процессов туннелирования в твёрдых телах. Создание Т. д. стало возможно в результате прогресса в полупроводниковой технологии, позволившего создавать полупроводниковые материалы с достаточно строго заданными электронными свойствами. Путём легирования полупроводника большим количеством определённых примесей удалось достичь очень высокой плотности дырок и электронов в р - и n- областях, сохранив при этом резкий переход от одной области к другой. Ввиду малой ширины перехода (50—150 Å) и достаточно высокой концентрации легирующей примеси в кристалле, в электрическом токе через Т. д. доминируют туннелирующие электроны. На рис. 8 приведены упрощённые энергетические диаграммы для таких р — n - переходов при четырёх различных напряжениях смещения U. При увеличении напряжения смещения до U₁ межзонный туннельный ток (i_t на рис. 8, б) возрастает. Однако при дальнейшем увеличении напряжения (например, до значения U₂, рис. 8, в) зона проводимости в n-oбласти и валентная зона в р-области расходятся, и ввиду сокращения числа разрешенных уровней энергии для туннельного перехода ток уменьшается — в результате Т. д. переходит в состояние с отрицательным сопротивлением. При напряжении, достигшем или превысившем U₃ (рис. 8, г), как и в случае обычного р — n-перехода, будет доминировать нормальный диффузионный (или тепловой) ток.

Рис. 8. Энергетические диаграммы электронно-дырочного перехода туннельного диода при различных напряжениях смещения (О<U₁<U₂<U₃): E_fp и E_fh — уровни Ферми дырок и электронов; E_g — ширина запрещённой зоны; W — ширина p — n-перехода; е — заряд электрона; i_t и i_d — туннельный и диффузионный токи.

Диоды позволяют не только выполнять различные преобразования сигналов различных частотных диапазонов, но и могут служить генераторами колебаний (обычно СВЧ - диапазона). Таковы лавинно-пролетные диоды, работающие в режиме лавинного размножения носителей заряда при обратном смещении, или туннельные диоды, созданные на основе вырожденных полупроводников (с очень высокой концентрацией носителей: 10¹⁸…10²⁰ см^-3). Способность генерировать электрические колебания у этих приборов объясняется наличием в их ВАХ участков с отрицательным сопротивлением, т.е. участков, на которых происходит уменьшение тока при повышении напряжения.

Практическая часть

Схема для исследования прямой ветви ВАХ диодов:

Схема для исследования обратной ветви ВАХ диодов:

Величина балансного сопротивления R=510 Ом (на стенде R4). P_R=2 Вт.

Эти схемы используются для изучения различных типов диодов:

• кремниевый диод Д246 (на стенде VD₁₀)

• германиевый диод Д303 (на стенде VD₁₃)

• диод Шотки N58SR360 (на стенде VD₇)

• арсенид-галлиевый излучающий диод (только прямая характеристика)

• туннельный диод

Исследование полупроводниковых диодов заключается в снятии ВАХ последовательно каждого диода с занесением полученных экспериментально данных в таблицу и построением графиков.

При выполнении эксперимента следует учитывать следующее:

1. Прямой ток диодов сильно зависит от напряжения, поэтому при снятии прямой ветви ВАХ следует включить последовательно с ПД ограничительный резистор R = 510 Ом.

2. Прямую ветвь ВАХ следует снимать уменьшая ток от предельного значения до нуля. При этом эксперименте удобнее фиксировать величину тока и определить соответствующее этому току напряжение. Следует учитывать, что на начальном участке прямой ветви ВАХ ток растет медленно, поэтому на этом участке шаг для значений тока нужно брать меньше, чем на основном участке.

3. Обратный ток ПД слабо зависит от напряжения U_обр. Поэтому целесообразнее снимать обратную ветвь ВАХ, устанавливая U_обр в интервале 0…U_обр.max и измеряя соответствующие значения тока. Следует учесть, что наибольшие изменения тока происходят в интервале 0…-1 В, поэтому этот участок нужно снять подробнее, с меньшим шагом U_обр.

Прямая ветвь ВАХ диодов при комнатной и повышенной температуре:

Iпр,мА	0	5	10	15	30	50
Uпр, В
Uпр, В 50˚С
Uпр, В 70˚С

Обратная ветвь ВАХ диодов малой мощности при комнатной и повышенной температуре:

Uобр, В	5	10	15	20	25	30
Iобр, мкА
Iобр, мкА 50˚С
Iобр, мкА 70˚С

Обратная ветвь ВАХ диодов средней мощности при комнатной и повышенной температуре:

Uобр, В	5	10	15	20	25	30
Iобр, мкА
Iобр, мкА 50˚С
Iобр, мкА 70˚С