Туннельный диод

Туннельный диод.

Такие диоды изготавливаются из полупроводников с высокой концентрацией примесей – это вырожденные полупроводники. Их особенность в том, что в запрещенной зоне образуются не примесные уровни, а примесные зоны вблизи зоны проводимости в «n» полупроводнике и вблизи валентной зоны в «p» полупроводнике. На рис. показана энергетическая диаграмма вырожденного p-n перехода при отсутствии на нем напряжений.

Рис. Энергетическая диаграмма вырожденного p-n перехода

Допустим, что электроны находятся на уровнях энергий ниже уровня Ферми, выше их нет и эти разрешенные уровни свободны от электронов. При подаче обратного напряжения происходит деформация уровня Ферми в сторону увеличения энергетического барьера (на рис показан красным цветом). Смещаются и разрешенные зоны n полупроводника. Здесь наступает самое главное; валентная зона p полупроводника заполненная электронами становится напротив зоны проводимости n полупроводника свободной от электронов. Так как высокая концентрация примеси приводит к малой толщине перехода (см. предыдущую тему), на переходе возникает большая напряженность электрического поля. При этих условиях возникают предпосылки для туннельного движения носителя: электрон из p области переходит (туннелирует) в n область. Возникает большой обратный ток.

При подаче прямого напряжения деформация уровня Ферми идет в другую сторону (показан синим цветом). При этом наблюдается следующее: зона заполненная электронами в n области становится напротив зоны свободной от электронов в p области. Становится возможным туннельный переход электронов из n области в p. Заметим , что это сопровождается появлением большого прямого тока до открытия перехода, связанного с уменьшением энергетического барьера. На рис. показана ВАХ туннельного диода и здесь же обычного.

Рис. Вольт - амперная характеристика туннельного диода

Наличие падающего участка между точками А и В – замечательная особенность туннельного диода. Эта область отрицательного динамического сопротивления, позволяющая реализовать на его основе высокочастотные и быстродействующие генераторы, усилители, импульсные устройства.
Параметры туннельного диода следующие.
- Прямое допустимое напряжение, U_{пр. доп}.
- Координаты точки пика и впадины, точки А, U_пика, I_пика.
- Координаты точки впадины, точки В, U_{впадина}, I_{впадина}.
- Отрицательное динамическое сопротивление на падающем участке, R_дин.= Δ Uпр/ΔIпр.
На туннельном диоде можно выполнить устройство, активно преобразующее сигнал (генератор и усилитель). Допустим, имеется колебательный контур состоящий из индуктивности и емкости. Вспомним, что будет происходить, если зарядить конденсатор. Электрическая энергия будет переходить в магнитную, которая накапливается в индуктивности. Далее магнитная энергия будет переходить в электрическую, которая в свою очередь накапливается в конденсаторе. Возникнет колебательный процесс, которых носит затухающий характер из – за сопротивлений в контуре. Это сопротивление катушки, проводов. Это сопротивление приводит к потерям энергии, поэтому уместно назвать его сопротивлением тепловых потерь. Если его компенсировать отрицательным сопротивлением, то потерь не будет и в контуре возникнут незатухающие колебания. Таким образом, мы можем получить генератор в котором роль отрицательного сопротивления выполняет туннельный диод. Схема такого генератора показана на рис. здесь же показано условное обозначение диода. Источник питания совместно с сопротивлением Rпит обеспечивает задание рабочей точки в области отрицательного сопротивления диода. Генерация возникает при условии R_{дин (-)} >R_пот.

Рис. Генератор на туннельном диоде
Туннельный эффект движение носителей малоинерционный процесс. Это и определило область применения туннельных диодов. Это усилители и генератору СВЧ диапазона, например, спутниковые системы связи, быстродействующие импульсные схемы, например, триггеры т и. д.