Туннельные диоды

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 n-области с зоной проводимости полупроводника, а в p-области с валентной зоной. Энергетические зоны в туннельном диоде в зоне p-n перехода приведены на рисунке 1.

Энергетические зоны в тунельном диоде
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 p-n перехода из-за высокой концентрации примесей получилась очень узкой, поэтому становится возможным туннельный переход между n+ и p+ областями полупроводника.

Благодаря влиянию туннельного эффекта, вид вольтамперной характеристики p-n перехода изменяется. Обобщённый вид вольтамперной характеристики туннельного диода приведён на рисунке 2.

ВАХ тунельного диода
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 p-n перехода. Все этапы изменения зонной диаграммы на различных участках ВАХ туннельного диода показаны на рисунке 3.

Изменение зонной диаграммы на различных участках ВАХ тунельного диода
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.

УГО тунельного диода
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.

Cхема генератора на тунельном диоде
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.

Принципиальная схема СВЧ усилителя на тунельном диоде
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.

график, поясняющий процесс усиления входного сигнала
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


Понравился материал? Поделись с друзьями!


Литература:

  1. Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника. Под редакцией Федорова Н. Д. - М.: Радио и связь, 1998. -560 с.
  2. Электронные приборы. Под редакцией Шишкина Г.Г. -М.: Энергоатомиздат, 1989.-496 с.
  3. В. А. Батушев Электронные приборы. -М.: Высшая школа, 1980. -383 с.
  4. В. А. Гуртов Твердотельная электроника. —: Техносфера Учеб. пособие / В. А. Гуртов. – Москва, 2008
  5. Справочные данные на некоторые обращённые диоды
  6. Туннельный диод. Материал из Википедии
  7. Туннельные диоды url:https://life-prog.ru/2_62588_tunnelnie-diodi.html
  8. Туннельный и обращенный диоды url: http://www.chipinfo.ru/literature/books/solid_state_electronics/chapter4/part5.html

Вместе со статьей "Туннельные диоды" читают:

p-n переход
https://digteh.ru/foe/pn_perehod/

Выпрямительные диоды
https://digteh.ru/foe/diod/vypryam/

Стабилитроны и стабисторы
https://digteh.ru/foe/diod/stabilitron/

Варикапы
https://digteh.ru/foe/diod/varycap/

Обращённые диоды
https://digteh.ru/foe/diod/obr/

Диоды Шоттки
https://digteh.ru/foe/diod/schottky/




Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2020

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

Поиск по сайту сервисом Яндекс
Поиск по сайту сервисом ГУГЛ
Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором более 96 научных и научно-методических работ, в том числе 20 книг.

Top.Mail.Ru


Яндекс.Метрика