Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Воскресенский В.В. Применение туннельных диодов в импульсной технике

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

23.10.2023

Размер:

4.89 Mб

Скачать

☆

1 / 131 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 > Следующая >>>

В . В . В о с к р е с е н с к и й , А . М . И в а н и ц к и й

ПРИМЕНЕНИЕ ТУННЕЛЬНЫХ ДИОДОВ В ИМПУЛЬСНОЙ ТЕХНИКЕ

ИЗДАТЕЛЬСТВО «СВЯЗЬ» МОСКВА 1974

6Ф2

В76

УДК 621.374-.621.3S2.23.011.222

Воскресенский			В. В., Иваницкий А. М.
В76	Применение		туннельных	диодов	в импульсной	тех
нике. М., «Связь», 1974.
	120 с. с ил.
нп	В	книге исследуются иа'Нболее		распространенные импульсные		схемы
	туннельных диодах — генераторы,			триггеры,	ступенчатые делители
частоты		следования	импульсов, а также генераторы на днодно-транзмс-
торноп		основе, приводится методика		и примеры	их расчета.

Книга рассчитана на инженеров и .научных работников, разрабаты вающих радиоэлектронную аппаратуру на полупроводниковых приборах, н студентов радиотехнических факультетов.

В	30401—3	6Ф2
В	18—74	6Ф2
	045(01)—74

©Издательство «Связь», 1974 г.

Гос. пу5л:4ч:«ая

..'я9диотвучно-7о:<г:;».:а С, - ескаяС-Р

ггл;:\

Владимир Владимирович Воскресенский, Анатолий Маркович Иваницкий ПРИМЕНЕНИЕ ТУННЕЛЬНЫХ ДИОДОВ В ИМПУЛЬСНОЙ ТЕХНИКЕ

Редактор В. Л. Черняк Художник В. П. Свиридов

Техн. редактор Г. И. Шефер Корректор Г. Г. Лев

Сдано а набор	9/VII	1973 г. Подписано в печ. 17/Х 1973 г.
Форм. бум. 60х90/ю		7,5 печ. л. 7.5 усл.-п. л. 8,21 уч.-изд. л.
Тираж 12 000 экз.		Т-15570	Бумага тнпогр. № 2
Зал. изд. 15487			Цена 42 коп.
Издательство	<Связь>, Мооква-центр, Чистопрудный
		бульвар, 2

Типография издательства «Связь> Государственного комитета Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.

Москва-центр, ул. Кирова, 40. Зак. тип. 191

Предисловие

В современной радиоэлектронике широко применя ются устройства, работающие в импульсных режимах . Если в не далеком прошлом этот режим был привилегией радиолокационной техники, то сейчас трудно представить область радиотехники, в ко-" торой в той или иной мере не использовались бы импульсные уст ройства.

Полупроводниковые приборы существенно повлияли на разви тие импульсной техники. Надежность, хорошие ключевые свойства,

возможность микроминиатюрного исполнения	аппаратуры — все
это быстро выдвинуло их на передний план.	Особое место	среди
полупроводниковых приборов, применяющихся	в импульсной	тех
нике, занимают туннельные диоды, приборы с	отрицательной	про

водимостью (отрицательным сопротивлением). Они о б л а д а ю т ог ромной скоростью переключения, сравнительно устойчивы к изме нениям климатических условий и радиационным, излучениям. Им пульсные схемы на туннельных диодах конструктивно просты.

Несмотря на это, туннельные диоды (ТД) все еще сравнительно медленно внедряются в аппаратуру . Одна из причин подобного яв ления — ограниченное количество литературы по вопросам анализа схем на ТД, их расчета и проектирования. Рассмотрению этих во

просов и посвящена настоящая	книга.
В книге анализируется работа основных		импульсных	схем на
Т Д — генераторов, триггеров	и ступенчатых	делителей	частоты
следования импульсов, а т а к ж е	комбинированных схем, использую

щих совместное включение туннельных диодов и транзисторов. По

лучены	расчетные		соотношения, приведена методика		инженерного
расчета	и примеры расчета.
Главы		1, 2, 3,	5 написаны В. В. Воскресенским, § 1.2 и				гл. 4
написаны А. М. Иваницким .
Авторы		в ы р а ж а ю т благодарность В. Н. Яковлеву			за	р я д	цен
ных методических			советов, высказанных им в процессе работы над
книгой.
З а м е ч а н и я и пожелания по книге просим				направлять		в	изда
тельство	«Связь»		по адресу: Москва-центр,	Чистопрудный			буль
вар, 2.

Авторы

Г Л А В А П Е Р В А Я

Общие сведения о туннельных диодах

1.1. В О Л Ь Т А М П Е Р Н А Я

Х А Р А К Т Е Р И С Т И К А

Т У Н Н Е Л Ь Н О Г О Д И О Д А

Из всех существующих в настоящее время полупро

водниковых

приборов с отрицательным

сопротивлением

наиболь

шее применение в радиоэлектронике получили туннельные

диоды

(ТД) . В основу работы Т Д

положено использование

туннельного

эффекта, заключающегося в туннелн-

ровании электронов сквозь потенци

альный барьер из одной зоны с разре

шенными

энергетическими

уровнями

другую, т. е. в способности

электронов

в полупроводнике

с высокой

концент

рацией примесей проходить через по

тенциальный барьер, не изменяя своей

энергии. О физических процессах в тун

нельных диодах,

ом. 'в [2, 4,

14, 20]

и др.

Рассмотрим рис. 1.1а. В отличие от

вольтамперных

характеристик

других

полупроводниковых приборов, эта ха

рактеристика обладает явно выражен

ным нелинейным характером и падаю

щим участком — участком с отрица

тельным

сопротивлением.

В зависимости от величины и знака

приложенного к

Т Д 'напряжения

сме

щения через него протекают токи, об

условленные

различными

физическими

процессами . Участок 4—0—1—2

харак

теристики

Т Д обусловлен

туннельным

током, т. е. носителями,

переходящими

из валентной

зоны

полупроводника

зону

проводимости,

расположенную

по

разные стороны

р-я-перехода,

и,

'на

оборот,

участок

2—3

—

инжекцией

Рис. 1.1. Туннельный диод:

электронов и дырок через

потенциаль

а)

типовая

вольтамперная

ный

барьер,

т.

е. диффузным

током,

характеристика; б) внутрен

как

и в

обычном

полупроводниковом

няя

дифференциальная про

приборе.

водимость

З а ш т р и х о в а н н а я область вольтамперной характеристики Т Д со ответствует так называемому избыточному току туннельного диода. На этом участке ток Т Д определяется суммой двух токов: прямым туннельным током и током диффузии . Однако многочисленные экс периментальные исследования показали, что ток / 2 реального Т Д существенно больше тока / 2 идеализированного Т Д . Разность этих токов называют избыточным током. Установлено, что он в основном зависит от концентрации технологических неконтролируемых при месей и степени легирования исходного материала, но окончательно природа избыточного тока неясна.

О б р а т н а я ветвь характеристики Т Д	(участок	0—4), обусловлен
ная туннельным током, возникающим	при подаче на Т Д обратного
смещения, в отличие от характеристик обычных		полупроводниковых
приборов, имеет значительно большую	крутизну.

Рассмотрим рис. 1.16. Д и ф ф е р е н ц и а л ь н а я проводимость при из

менении смещения	от	0 до U3 д в а ж д ы (в точках,	соответствующих
напряжениям Ui и	Uz)	обращается в нуль, т. е. Т Д	способен д в а ж

ды разорвать внешнюю электрическую цепь, превращаясь из пас сивного элемента в активный и наоборот. Это обстоятельство при

вело к широкому применению	Т Д в импульсной технике. Генерато
ры импульсов на Т Д к тому ж е	отличаются и высоким быстродейст
вием. Время переключения современных Т Д составляет 1—2 не и
менее.

Туннельные диоды широко применяются в усилителях и генера торах электрических колебаний, в преобразователях частоты, детек торах, умножителях частоты, в логических устройствах и т. д.

И м е я на п а д а ю щ е м участке характеристики отрицательное диф

ференциальное сопротивление —л>= d u , туннельный диод может di

компенсировать потери во внешней электрической цепи. По отноше нию ж е к источнику питания Т Д ведет себя как потребитель энер гии с сопротивлением постоянному току R = UjI.

1.2. Э К В И В А Л Е Н Т Н А Я СХЕМА,

О С Н О В Н Ы Е

П А Р А М Е Т Р Ы И С В О Й С Т В А Т Д

Схема, представленная на рис. 1.2,

состоит

из

ин

дуктивности L s

вводов

диода,

сопротивления

потерь

диода

Rs,

не

линейного сопротивления

R(u)

и нелинейной

емкости

С(и)

перехо

да . П а р а м еиры

Ls,Rsi\C(u)

я.вл'я-

ются паразитными, и при изготовле-

нии

Т Д

принимаются

в о з м о ж н ы е

меры для их уменьшения.

I —

Часто

нелинейные сопротивления

R(u)

• и

емкость

С(и)

перехода за-

„

и ^ / ° у

Рис.

1.2. Эквивалентная схема

ТД

меняют постоянными сопротивлением Ro и емкостью С 0 в рабочей точке на падающем участке вольтамперной характеристики ТД .

Действительная

часть входного

сопротивления

Т Д

будет отри

цательной,

если

выполняется

неравенство

Ro!(l

(-^С^Щ).

Граничная частота

i / r p определяется из условия,

при

котором

действительная

часть

входного

сопротивления

равна

нулю:

/ г р =

(1 /2п C0R0)

YR0/Rs-\.

Граничная частота

у современных Т Д

весьма

высока и состав

ляет

( 1 0 1 0 - М 0 и )

Гц.

При анализе

импульсных

устройств на Т Д удобно

использовать

некоторые

характерные точки

вольтамперной

характеристики

Т Д

(рис.

1.1а),

которые

обычно

обозначают следующим

образом:

и\ — соответственно ток и напряжение в точке максимума;

1%, U% —

ток и напряжение в точке минимума; Us — напряжение на диффу

зионной ветви	характеристики при токе i =					h.
Важно й характеристикой Т Д является						отношение b — h\h,			зави
сящее от материала		Т Д (обычно приводится					в паспортных	данных
на Т Д ) . Н а и б о л ь ш у ю		величину Ь имеют Т Д из арсенида галлия, са
мые распространенные в переключающих						схемах.
							Т а б л и ц а 1.1
Материал ТД	С/,, мВ	U„	MB	O,, MB		b	T0 . » сек	к,,	мА/пФ
Ge	40-H70	270-^350		450	10-M5		0,015	0,3 - И
Si	80-M00	400-T-500		700	3-=-4		0,0456		0,5
GaAs	90-H120	450-^-600		1000	40^70		0,0088	lO-r-15
GaSb	30-^50	200-^250		450	15-^20		0,0094		—
InSb	—	—		—	7-M0				—
При оценке работы Т Д			(см. табл. 1.1) в переключающих					схемах
в а ж н ы т а к ж е	параметры		ТД , оценивающие				его быстродействие:
то = СУ?о и коэффициент ki = Ii/C0j				зависящие от исходного материа
ла и степени	концентрации примесей. Чем меньше то и больше Ки

тем выше быстродействие ТД .

Одним из преимуществ Т Д является повышенная температурная стабильность его основных параметров и значительно более широ кий диапазон рабочих температур (в сравнении с обычными полу проводниковыми д и о д а м и ) . Так, для Т Д из германия максимально допустимая температура примерно 200°С, а из арсенида галлия — 400°С, в то время как для лучших образцов германиевых транзис-

торов она не превышает 100°С. В области отрицательных темпера тур Т Д способны работать вплоть до температуры жидкого гелия.

Зависимость основных параметров Т Д от температуры опреде ляется в основном двумя противодействующими факторами: изме нением ширины запрещенной зоны и распределением электронов по энергиям вблизи уровня Ферми.

Изменение	вольтамперной характеристики	Т Д при	изменении
температуры	существенно зависит от степени	легирования	полупро

водника (рис. 1.3). При оптимальной степени легирования ток Л,

достигая

максимального зна

чения при комнатной тем

пературе

2 0 ± 5 ° С ,

диапа

зоне температур

± 1 0 0 ° С из

меняется на 5—10%. Темпе

ратурный

дрейф

напряже

ния -Ui мал, с увеличением

температуры

незначи

тельно

уменьшается.

Более

существенно,

чем

от тем

пературы

зависят

'натгряже-

Н'ия U2

Uа. С

увеличением

температуры

U-з умень

шаются

на

(0,7 - М) мВ/°С.

Наиболее

температурнозави -

сим ток

увеличением

'-100°С

+100°с

температуры

ток / 2

увеличи

Рис.

1.3. Температурная

зависимость

отно

вается с максимальным тем

шения

туннельного тока

в максимуме

пер ату р н ы м

коэффициентом

его

значению

110

при

20°

(l - f - 3)%/°C .

Дифференци

альное

сопротивление

ТД т а к ж е

зависит

от

степени

легирования

может уменьшаться пли увеличиваться с температурным

коэффи

циентом

не более

(0,5ч-2) Ю - 3

% / г р а д . для

германиевых

Т Д .

Д л я

Т Д из

арсенида

галлия температурный коэффициент дифференци

ального сопротивления значительно меньше.

Емкость Т Д

от температуры

практически

не зависит.

В области

отрицательных температур

основные

параметры

Т Д

почти

не

ухудшаются,

а некоторые

из них д а ж е

улучшаются.

Развитие ядерной техники потребовало создания электронного оборудования, способного работать в течение длительного времени при воздействии радиации .

Исследования показали, что при облучении Т Д быстрыми ней тронами наблюдаются слабые изменения тока Д и сильная зависи мость тока h, приводящая при определенной плотности потока к ис чезновению падающего участка вольтамперной характеристики Т Д .

Схемы на Т Д отличаются высокой устойчивостью к радиацион ному облучению и выдерживают плотность потока нейтронов и ин тенсивность импульсного обличения, на два порядка превышающие лоток и интенсивность облучения для транзисторных схем.

Н а и м е н ее чувствительны	к радиационному	облучению	Т Д из
арсенида галлия . П а р а м е т р ы	германиевых и кремниевых Т Д		замет
но ухудшаются лишь при облучении их потоком		быстрых нейтронов
с плотностью 101 7 нейтр/см2 [23].

Туннельные диоды из арсенида галлия, обладая высоким быст родействием, нашли наибольшее применение в импульсной технике.


Но они .имеют один существенный недостаток.				К а к	было	замечено
многими исследователями,	Т Д из арсенида		галлия		при работе в пе
реключающих устройствах	(т. е. с заходом		рабочей точки			на д и ф
фузионную ветвь характеристики ТД)		с течением времени				необра
тимо изменяют сваи параметры . Это явление				получило		название
старения (деградации) Т Д	из арсенида	галлия .		Скорость		старения

тем выше, чем больше рабочий ток на диффузионной ветви, и уве

личивается с повышением температуры.
Наиболее сильно подвержены старению Т Д с большими		величи
нами	токов переключения. Исследования показали, что д л я Т Д с
током	Z i ^ l O мА явлением деградации можно пренебречь,	если ток

на диффузионной ветви ограничить величиной (0,33-^0,67)h. Более


того, в настоящее время возможно					изготовление		Т Д с	( / з « 0 , 8		В,
временной	дрейф	параметров		которых		пренебрежимо		мал [3].
	1.3. А П П Р О К С И М А Ц И Я					В О Л Ь Т А М П Е Р Н Ы Х
		Х А Р А К Т Е Р И С Т И К , Э К В И В А Л Е Н Т Н Ы Е
		С Х Е М Ы Т Д И ЕГО				С О Е Д И Н Е Н И Й
	Вольтамперная			характеристика описывается						до
вольно сложными		уравнениями,		затрудняющими			анализ		схем	на
Т Д . В [3], [18], [22] предлагаются				различные методы			аппроксимации,
в той или иной мере упрощающие анализ . Н а и б о л е е прост,									но наи
менее точен метод, при котором				вся	вольтамперная		характеристика
Т Д представляется		тремя	прямыми (линейная				аппроксимация)
(рис. 1.4а),	совпадающими		с реальной			характеристикой		в	точках

Рис. 1.4. Туннельный диод:

а) вольтамперная характеристика при простой линейной аппрок симации; б), в), г) эквивалентные схемы, соответствующие раз личным участкам аппроксимированной характеристики

и д = 0, uR=U\,

ил=и2,

« Д = У 3 . Уравнение прямой,

аппроксимирую

щей нарастающий

(первый)

участок туннельной

ветви:

£д = »д."1.

^1 Л ^

где

Гг^иЛг.

(1-2)

При

этом

эквивалентная

схема

Т Д

по постоянному току

представ

ляется в виде сопротивления r t (рис. 1.46).

На п а д а ю щ е м (втором) участке туннельной

ветви уравнение

ап

проксимирующей

прям ой.

1д

(е2 — иа)/\г.2\,

(1.3)

где

(U, -

UiWt

А) =

~{U, -

/ 2 ) ;

(1.4)

/ i N

f / i = / 2 | r a | + f / a .

(1.5)

Д л я

второго

участка

характеристики

эквивалентная схема

дио

да представлена

на рис.

1.4s в виде

резистора | г 2 |

и источника

ег.

Диффузионная

ветвь характеристики

Т Д

(третий участок)

имеет

следующее уравнение

аппроксимирующей прямой:

*д =

("д — <?з)/Ль

(1-6)

где

r 8

= ( £ / s - £ / s ) / ( / i - / a ) ;

(1-7)

cs = U2-I2rs

= U s - l l r 3 .

(1.8)

Эквивалентная

схема

Т Д для

второго

и третьего участков харак

теристики изображена на рис. 1.4г.

В [3], [16] приведена кусочно-стеленная аппроксимация,

которая

на участке О ^ М д ^ ^ Л

описывается

выражением

1д = М 1 — ( 1 - И д / О Д .

(1.9)

а на

участке

гд

U + (А -

/а)

I (ид -

£/а )/(£/з -

#a)

l v ,

(1-10)

где

наилучшее совпадение

аппроксимирующей

кривой

реальной

характеристикой

получается при

Y ~ 3 .

Достоинством

кусочно-степенной

аппроксимации

является

то,

что

она

довольно

точно

о т р а ж а е т

ход реальной

характеристики

связана

с ее характерными

параметрам и

( 7 Ь

Ui,

0'3).

В то

ж е

время ее применение для анализа схем

на Т Д

в большинстве

слу

чаев

приводит к

сложным

трансцендентным

уравнениям.

Если точность линейной аппроксимации оказывается недоста точной д л я получения расчетных соотношений, а применение кусоч но-степенной не дает решения задачи, целесообразно кривые ку сочно-степенной аппроксимации представить в виде двух или более отрезков прямых. При этом погрешность такой аппроксимации при ближается к погрешности кусочно-степенной, а решение задачи зна-

1 / 131 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ