9.1 Туннельный диод

Работа диода основана на туннельном эффекте. Напоминаю, в чем смысл эффекта: частица, имеющая полезную кинетическую энергию, меньшую, чем высота потенциального барьера, может преодолеть этот барьер без потери энергии. Эффект проявляется, если по обе стороны барьера имеются одинаковые энергетические уровни. Активность эффекта зависит от высоты и ширины барьера. В n-p переходах туннельный эффект проявляется, если толщина обедненного слоя меньше 15 мкм, и полупроводники, образующие переход, являются вырожденными.

Вырожденным является полупроводник, в котором концентрация примесей велика, происходит расщепление уровней, и образуется новая зона, сравнимая с валентной зоной или зоной проводимости (для акцепторных и донорных примесей, соответственно).

Зависимость тока, обусловленного туннельным эффектом, от напряжения на n - p переходе изображена на рисунке 9.1, и ВАХ обычного диода на рисунке 9.2.

Рисунок 9.1 Рисунок 9.2

Суммирование туннельного и диффузионного токов приводит к специфической форме ВАХ с участком отрицательного дифференциального сопротивления cd, показанной на рисунке 9.3.

Туннельный диод характеризуется:

• I_max- максимальный ток;

• I_min- минимальный ток;

• U_max- максимальное напряжение;

• U_min- минимальное напряжение.

Обычно в справочниках оговаривается максимально допустимый прямой ток I_доп через диод; постоянное обратное напряжение U_{обр. доп.}, соответствующее I_{обр. доп}.

В чем достоинство туннельных диодов? Оно обусловлено очень большим легированием полупроводника.

Это обеспечивает возможность работы при очень высоких температурах и в условиях сильного радиационного излучения.

Рабочая точка выбирается на участке cd. Высшая частота от 10 МГц до 1 ГГц. Поэтому для высокой частоты эквивалентную схему рисуют, как показано на рисунке 9.4.

Учитывая индуктивность выводов Lв:

Lв = (0,02 - 0,01)·10³Гн, C_д= 0,2 - 2 пФ, r порядка единиц Ом. R_ выбирается по ВАХ в выбранной точке.

9.2 Лавинный транзистор

Лавинный транзистор - сравнительно новый тип ЭП с отрицательным дифференциальным сопротивлением. В лавинном режиме могут работать обычные биполярные транзисторы.

В основу работы положено явление умножения зарядов под действием сильного электрического поля в обратно смещенном коллекторном переходе. Таким образом, явление пробоя, нежелательное при эксплуатации транзистора, в данном случае используется для получения новых свойств.

Рассмотрим ВАХ при лавинном умножении носителей зарядов в коллекторном переходе в разомкнутых схемах (рисунки 9.5 и 9.6):

1. Эмиттер не подключен и работает только коллекторный переход. Следовательно, ВАХ как у обычного диода (рисунок 9.7).

Напряжение, соответствующее пробою, обозначено Um.

2. Цепь базы разомкнута и R_бравно бесконечности. В схеме с разомкнутой базой ток коллектора подчиняется закону:

где M - коэффициент размножения носителей; I_К0 - обратный ток коллектора; α₀ - статический коэффициент передачи тока эмиттера (без учета лавинного размножения); M = (1 - U/U_М)^-1, тогда n = 6 для германиевых p⁺ - n переходов; n = 3 для кремниевых p⁺ - n переходов; n = 2 для кремниевых n⁺ - p переходов.

Если обозначить напряжение, при котором I_К=∞, через U_β, то получим:

Врассматриваемой схеме коэффициент передачи тока базы β_m при напряжении U → U_β стремится к бесконечности.

ВАХ будет иметь вид представленный на рисунке 9.8.

3. Если в цепь базы включено R_Бс конечным сопротивлением (рисунок 9.9), то ВАХ изменяется. Это объясняется следующим: в зависимости от I_К схема включения транзистора становится близкой к одной или другой схеме. При малых I_К схема включения по своим свойствам близка к схеме с оторванным эмиттером, при больших I_К - к схеме с разомкнутой базой. При малых токах I_К основная часть тока проходит через R_{Б ,} так как сопротивление эмиттерного перехода велико и равно:

Но при увеличении тока через R_Бпадение напряжения на нем возрастает, растет ток эмиттера и уменьшаетсяr_э.

При определенном токе коллектора I_Э> I_Б, это практически равносильно R_Б= ∞, и тогда на ВАХ появляется отрицательный участок (рисунок 9.10).