2.1.4. Тунельні діоди

Тунельним називається напівпровідниковий діод, в якому використовується тунельний механізм перенесення носіїв заряду через n-p перехід і в характеристиці якого є область від’ємного диференціального опору. Властивості тунельного діоду визначаються формою вольт-амперної характеристики n-p переходу з тунельним ефектом (див рис. 8.9).

З авдяки тому, що тунельний перехід електронів здійснюється за дуже короткий час (~10 ^–13 c), тунельні діоди можуть працювати на частотах до 10 ¹¹ Гц.

Важливою перевагою тунельних діодів є також здатність працювати без втрати своїх властивостей при низьких і більш високих температурах, при яких звичайні напівпровідникові прилади працювати не можуть.

Основні параметри тунельних діодів показані на його типовій вольт-амперній характеристиці (рис. 2.12) і такими є:

• Піковий струм І_п – прямий струм в точці максимуму вольт-амперної характеристики.

• Струм западини І_з – прямий струм в точці мінімуму вольт-амперної характеристики.

• Напруга піку U_п – пряма напруга, відповідна піковому струму.

• Напруга западини U_з – пряма напруга, відповідна мінімальному струму.

• Напруга розхилу U_p – пряма напруга на другій висхідній гілці при струмі, що дорівнює піковому.

• Ємність діода С_д – сумарна ємність переходу і корпусу діода при заданій напрузі зміщення.

Розглянемо роботу тунельного діода в перемикаючій схемі. Основним у більшості перемикаючих схем на тунельний діодах є коло, що являє собою послідовне з’єднання тунельного діода з іншими елементами. Приклад такого кола показаний на рис. 2.13-а.

До подачі вхідного керуючого сигналу під дією зовнішньої напруги в колі діода тече постійний струм І₀, і на діоді встановиться напруга U₁ = Е – I₀R₁. При подачі керуючого сигналу в залежності від його полярності струм в колі діода буде або меншати на величину i, або збільшуватися на ту ж величину.

а) б)

Рис. 2.13.

При подачі додатного керуючого сигналу з амплітудою +і напруга на діоді буде збільшуватись. Досягнувши значення U₂, вона стрибком зміниться на значення U₃, і далі буде збільшуватись до значення U₄. По закінченню дії керуючого сигналу напруга на діоді зменшиться до сталого значення U₅. На вольт-амперній характеристиці тунельного діода цій зміні відповідає траєкторія 0  1  2  3  4 (рис. 2.13-б).

При подачі від’ємного керуючого сигналу з амплітудою –і напруга на діоді буде зменшуватись до значення U₆, далі стрибком зміниться на U₇ і продовжуватиме зменшуватись до значення U₈. Ця напруга відповідає амплітудному значенню від’ємного вхідного сигналу. По закінченню дії керуючого сигналу напруга на діоді збільшиться до другого сталого значення U₁. На вольт-амперній характеристиці цій зміні відповідає траєкторія 4  5  6  7  0 (рис. 2.13-б).

Отже, в результаті при вхідному керуючому додатному сигналі на діоді (і на виході схеми) встановиться напруга U₅, а при від’ємному керуючому сигналі – U₁, причому U₅ >> U₁. Ця різка різниця між величинами напруг на виході і дозволяє розглядати тунельний діод як прилад з двома стійкими станами, тобто електронний ключ. Перехід з одного стійкого стану в інший здійснюється, як відзначалось, достатньо швидко, що дозволяє використовувати тунельні діоди в схемах логічних і запам’ятовуючих елементів цифрової схемотехніки.