Туннельный диод образуется при контакте высоколегированных областей полупроводника n+ и p+. При этом концентрация
легирующих примесей выбирается настолько большой, что начинают расщепляться не только энергетические уровни основного
полупроводника, но и энергетический уровень акцепторной и донорной добавок. При этом энергетическая зона уровня примеси
смыкается в
Рисунок 1. Энергетические зоны в туннельном диоде в состоянии равновесия
На рисунке красным и фиолетовым цветом выделены энергетические зоны донорной и акцепторной примесей. Обратите внимание,
что уровень Ферми из-за слияния энергетических зон примесей и основного полупроводника в туннельном диоде оказался внутри
энергетических зон. Ширина
Благодаря влиянию туннельного эффекта, вид вольтамперной характеристики
Рисунок 2. Вольтамперная характеристика туннельного диода
На участке вольтамперной характеристики в области малых токов из-за влияния туннельного эффекта даже небольшие приращения
напряжения приводят к значительному возрастанию тока через диод. При дальнейшем увеличении прямого напряжения на туннельном
диоде участки с повышенной концентрацией электронов в n+ области и дырок в p+ области в
зонной диаграмме перестают пересекаться, что приводит к уменьшению тока (появлению участка с отрицательным сопротивлением).
И, наконец, ВАХ туннельного диода начинает совпадать с теоретической вольтамперной характеристикой
Рисунок 3. Энергетические диаграммы туннельного диода при различных приложенных к нему напряжениях
Так как свойства туннельных диодов существенно отличаются от свойств обычных диодов, то для них было придумано отдельное обозначение на принципиальных схемах. Условно-графическое обозначение туннельного диода приведено на рисунке 4.
Рисунок 4. Условно-графическое обозначение туннельного диода
В качестве примера туннельных диодов можно привести электронные приборы ГИ104 или АИ202.
Наличие участка с отрицательным сопротивлением позволяет использовать туннельный диод для реализации генераторов и усилителей. Упрощённая схема генератора на туннельном диоде приведена на рисунке 5.
Рисунок 5. Упрощенная схема автогенератора на туннельном диоде
Подобные схемы генераторов применяются в СВЧ диапазоне, правда в последнее время они вытесняются схемами на современных МОП-транзисторах. В данной схеме выбором напряжения Uсм и коэффициента подключения к резонансному контуру нагрузочная характеристика проходит через участок ВАХ туннельного диода с отрицательным сопротивлением. В результате потери контура компенсируются и в нём возникают незатухающие колебания.
Подобным образом работает и усилитель на туннельном диоде. Упрощённая схема подобного усилителя приведена на рисунке 6.
Рисунок 6. Упрощенная схема усилителя на туннельном диоде
На рисунке 7 приведен график, поясняющий процесс усиления входного сигнала. Напряжение смещения E и сопротивление Rн выбираются таким образом, чтобы нагрузочная характеристика пересекала вольтамперную характеристику туннельного диода в области отрицательного сопротивления. В результате, небольшие изменения входного напряжения, добавленные к напряжению смещения, превращаются в значительные изменения напряжения на сопротивлении нагрузки.
Рисунок 7. График, поясняющий процесс усиления входного сигнала
Отношение напряжения на сопротивлении нагрузки и входного напряжения и будут определять коэффициент усиления по напряжению. А учитывая, что на нагрузке кроме напряжения меняется ток, то коэффициент усиления по мощности будет ещё больше.
Дата последнего обновления файла 11.08.2021
