Туннельный диод что это такое

Туннельный диод

Содержание

Устройство

История изобретения

Туннельный диод был изготовлен в 1958 году Лео Эсаки, который в 1973 году получил Нобелевскую премию по физике за экспериментальное обнаружение эффекта туннелирования электронов в этих диодах.

Применение

Наибольшее распространение на практике получили туннельные диоды из Ge, GaAs, а также из GaSb. Эти диоды находят широкое применение в качестве генераторов и высокочастотных переключателей, они работают на частотах, во много раз превышающих частоты работы тетродов, — до 30. 100 ГГц.

Примечания

Литература

Ссылки

См. также

Полезное

Смотреть что такое «Туннельный диод» в других словарях:

ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД — (Эсаки диод) полупроводниковый диод, содержащий p n переход с очень малой толщиной запирающего слоя. Действие Т. д. основано на прохождении свободных носителей заряда (электронов) сквозь узкий потенц. барьер благодаря квантовомеханич. процессу… … Физическая энциклопедия

туннельный диод — Полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт амперной характеристике при прямом направлении участка отрицательной дифференциальной проводимости. [ГОСТ 15133 77] Тематики… … Справочник технического переводчика

ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД — полупроводниковый диод, действие которого основано на туннельном эффекте. Применяется преимущественно в усилителях и генераторах сверхвысокочастотных колебаний и в импульсных переключающих устройствах. Предложен в 1957 Л. Эсаки … Большой Энциклопедический словарь

туннельный диод — полупроводниковый диод, действие которого основано на туннельном эффекте. Применяется преимущественно в усилителях и генераторах СВЧ колебаний и в импульсных переключающих устройствах. Предложен в 1957 Л. Эсаки. * * * ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД ТУННЕЛЬНЫЙ… … Энциклопедический словарь

туннельный диод — tunelinis diodas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. tunnel diode vok. Tunneldiode, f rus. туннельный диод, m pranc. diode à effet tunnel, f; diode tunnel, f … Fizikos terminų žodynas

Туннельный диод — двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, в котором имеется очень узкий потенциальный барьер, препятствующий движению электронов; разновидность полупроводникового диода (См. Полупроводниковый диод). Вид… … Большая советская энциклопедия

ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД — полупроводниковый диод, действие к рого осн. на туннельном эффекте. Содержит р n переход с очень малой толщиной запирающего слоя (обычно 5 15 нм). Предложен япон. физиком Л. Эсаки (L. Esaki) в 1957. Туннельвый механизм переноса электронов в Т. д … Большой энциклопедический политехнический словарь

ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД — полупроводн. диод, действие к рого основано на туннельном эффекте. Применяется преим. в усилителях и генераторах СВЧ колебаний и в импульсных переключающих устройствах. Предложен в 1957 Л … Естествознание. Энциклопедический словарь

Резонансный туннельный диод — Резонансный туннельный диод полупроводниковый элемент электрической цепи с нелинейной вольт амперной характеристикой, в котором используется туннелирование носители заряда через окруженную двумя потенциальными барьерами потенциальную яму.… … Википедия

Диод Эсаки — Обозначение на схемах Вольт амперная характеристика туннельного диода. В диапазоне напряжений от U1 до U2 дифференциальное сопротивление отрицательно. Обычные диоды при увеличении прямого напряжения монотонно увеличивают пропускаемый ток. В… … Википедия

Источник

Туннельный диод

Туннельный диод — высокопроводящий, сильно легированный диод на базе p-n перехода, в котором ток индуцируется из-за туннелирования.

Туннелирование или туннельный эффект — это явление проводимости в полупроводниковом материале, в котором носитель заряда «пробивает» барьер, а не поднимается через него.

Туннельный диод представляет собой сильно легированный диод на базе p-n перехода. Концентрация примеси в обычном диоде составляет около 1 части на 108. А в туннельном диоде концентрация примеси составляет около 1 части на 103. Из-за сильного легирования полупроводник проводит ток, как в прямом направлении, так и в обратном направлении. Это быстрое переключающее устройство. Он используется в высокочастотных преобразователях, компьютерах и усилителях.

Обозначение туннельного диода на схеме

Обозначение туннельного диода на электрических схемах показано на рисунке ниже. Катод и анод являются двумя выводами из полупроводникового материала. Материал р-типа притягивает электроны, и поэтому он называется анодом, в то время как материал n-типа испускает электроны и называется катодом.

Конструкция туннельного диода

Туннельный диод имеет два вывода, а именно анод и катод. Полупроводник p-типа действует как анод, а полупроводниковый материал n-типа действует как катод. Для изготовления туннельного диода используются арсенид галлия, германий и антимонид галлия.

Отношение пикового значения прямого тока к значению тока в долине максимально в случае германия и минимально при использовании кремния. Следовательно, кремний не используется для изготовления туннельного диода. Плотность легирования туннельного диода в 1000 раз выше, чем у обычного диода.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода

При прямом смещении туннельная проводимость наступает в диоде из-за их сильного легирования. Ток в диоде достиг своего максимального значения I_P при подаче на него напряжения V_p. При дальнейшем увеличении напряжения ток через диод уменьшается. И он продолжает уменьшаться, пока не достигнет своего минимального значения. Это минимальное значение тока называется током впадины Iv.

Приведенный выше график показывает, что при переходе из точки А в точку В величина тока уменьшается с ростом напряжения. Итак, от A до B на графике показана область отрицательного сопротивления туннельного диода. Данная область показывает наиболее важное свойство диода. Здесь, в показанной области, туннельный диод отдает энергию, а не поглощает ее.

Принцип работы туннельного диода

Когда туннельный диод находится в состоянии равновесия, или мы можем сказать, что на диод не подается напряжение, в этом случае зона проводимости полупроводникового материала n-типа перекрывается с валентной зоной материала p-типа. Энергетические уровни дырок и электронов на стороне p и n соответственно остаются одинаковыми.

Когда температура повышается, электроны переходят от зоны проводимости n-области к валентной зоне p-области. Аналогично дырки, переходят от валентной зоны р-области до зоны проводимости n-области. Естественно, для туннельного перехода электрона через барьер из одной области в другую необходимо, чтобы по другую сторону барьера (место куда переходит электрон) имелось свободное состояние. Нулевой ток протекает через диод в состоянии равновесия.

Когда небольшое напряжение подается на туннельный диод, величина которого меньше напряжения в области обеднения, тогда электроны не пересекают область обеднения, и через диод протекает нулевой ток. Немногие электроны из n-области зоны проводимости туннелируются в p-область валентной зоны. Из-за туннелирования электронов небольшой прямой ток течет через область обеднения.

Когда на туннельный диод подается полное напряжение, создается определенное количество электронов и дырок. Увеличение напряжения увеличивает перекрытие проводимости и валентной зоны. Уровни энергии валентной зоны n-стороны и зоны проводимости p-стороны равны. Таким образом, через туннельный диод протекает максимальный ток.

Когда прикладываемое напряжение еще больше увеличивается, валентная зона и зона проводимость туннельного диода слегка смещаются. Но зона проводимости области n-типа и валентная зона области p-типа все еще перекрываются. Небольшой ток течет через диод, и, таким образом, ток начинает уменьшаться.

Если напряжение на проводнике сильно увеличивается, то туннельный ток падает до нуля. В этом состоянии зона проводимости n-стороны и валентная зона р-стороны не перекрывают друг друга, и туннельный диод ведет себя как обычный диод с PN-переходом. Если величина напряжения больше, чем контактная разность потенциалов, через диод течет прямой ток.

Понятие отрицательного сопротивления в туннельном диоде?

На графике выше показано, что между точкой Iv и Ip ток начинает уменьшаться, когда на него подается напряжение. Эта область графика называется областью отрицательного сопротивления. Это самая важная характеристика туннельного диода. В этой области туннельный диод генерирует энергию, а не поглощает ее.

Эквивалентная схема туннельного диода показана на рисунке ниже. Rs представляет сопротивление выводных клемм туннельного диода и полупроводникового материала. Оно примерно равно 5 Ом. Ls — индуктивность выводных клемм, и она почти равна 0,5 нГн. Cd — это диффузионная емкость перехода, и ее величина лежит в диапазоне от 5 до 100 пФ.

Преимущества и недостатки туннельного диода

Туннельный диод имеет низкую стоимость. У него низкий уровень шума, а его изготовление также очень просто. Диод дает быстрый отклик, и он умеренный в работе. Туннельный диод работает на малой мощности.

Недостатком туннельного диода является то, что выходное напряжение диода не является стабильным. Это двух контактное устройство, но его входные и выходные цепи не изолированы друг от друга.

Применение туннельного диода

Туннельный диод может использоваться в качестве усилителя и генератора для обнаружения малых высокочастотных сигналов или в качестве коммутатора. Это высокочастотный компонент, потому что он очень быстро реагирует на изменение значения входного сигнала.

Туннельный диод не получил слишком широкого применения, так как это слаботочное устройство.

Источник

Как устроен туннельный диод

Туннельный диод обладает особыми характеристиками, отличающими его от обычных диодов и стабилитронов. Если диоды и стабилитроны хорошо пропускают ток только в одну сторону (в обратную – только в области пробоя), то туннельный диод способен хорошо проводить ток в обе стороны. Это свойство обеспечивают особенности устройства туннельного диода: очень узкий p-n переход и значительное количество присадок.

Содержание статьи

История создания туннельного диода

Эта деталь была предложена в 1956 году японским ученым Л. Есаки. Для ее изготовления использовался германий или арсенид галлия с большим количеством присадок, обладающих низким удельным сопротивлением.

Арсенид галлия оказался более перспективным материалом. При производстве туннельных диодов используются: доноры – олово, сера, теллур, свинец, селен, а также акцепторы – кадмий и цинк. Применяются германиевые полупроводники, в которых: доноры – мышьяк и фосфор, а акцепторы – алюминий и галлий. Примеси вводят в состав диода путем вплавления или диффузии.

Особенности и принцип действия туннельного диода

Туннельные диоды с чрезвычайно малым сопротивлением относят к группе вырожденных. Для них характерны:

Уникальные свойства туннельного диода проявляются в его вольтамперной характеристике (ВАХ) при прямом смещении в полупроводнике.

На схеме видно, что на отрезке А ток растет с увеличением напряжения. На участке В полупроводник проявляет отрицательное сопротивление (туннельный эффект), приводящее к тому, что при росте вольтовой характеристики ток снижается. На отрезке С прибор снова обеспечивает прямую зависимость между током и напряжением.

Туннельные диоды предназначены для работы как раз на отрезке, для которого характерно отрицательное сопротивление. Небольшое повышение напряжения выключает его, а снижение – включает.

Основные параметры туннельных диодов

При выборе этого полупроводника учитывают:

Маркировка туннельных диодов и их обозначение на схеме

В обозначении диодов присутствует несколько позиций (обычно 5). Первой идет буква или цифра. Цифры 1, 2, 3 обозначают, что диод предназначен для военного применения (имеет более широкий температурный рабочий интервал, по сравнению со стандартными полупроводниками). На первой позиции может стоять буква, указывающая на материал, используемый при изготовлении детали: Г – германий, А – арсенид галлия. Вторая позиция показывает класс полупроводника, Д – обозначает «диод». На третьей позиции отображают характеристики мощности или частоты. Четвертая – двух- или трехзначный серийный номер. В конце обозначения производитель предоставляет дополнительную информацию.

Цветовая маркировка диодов Обозначение туннельного диода на схемах

Области применения

Параметры туннельного диода обеспечивают его использование в следующих областях:

Преимущества и недостатки

Плюсы туннельных диодов:

Все туннельные диоды имеют компактные размеры. Часто они представляют собой изделия в герметичных корпусах цилиндрической формы диаметром 3-4 мм, высотой 2 мм и массой менее 1 грамма.

Существенным недостатком полупроводников этого типа является значительное старение, которое приводит к изменению их свойств, а следовательно, к нарушению нормальной функциональности устройства. «Туннельники» могут утратить прежние параметры не только из-за превышенных рабочих режимов, но даже из-за длительного хранения, после чего они превращаются в «обращенные» полупроводники. Такое обстоятельство часто становится причиной некорректного функционирования промышленных осциллографов.

Существуют и «обращенные» полупроводники промышленного изготовления. От туннельных они отличаются меньшей концентрацией примесей, хотя общий принцип функционирования у них одинаковый.

Как проверить туннельный диод на работоспособность

Проверять работоспособность ТД авометром – комбинированным прибором для измерения тока, напряжения и частоты – запрещено, поскольку полупроводники некоторых групп могут выйти из строя. Если неизвестна принадлежность детали к определенной категории, то безопасней использовать генераторный пробник, позволяющий контролировать работоспособность туннельного диода в активном режиме.

Источник

Изучаем туннельный диод на примере 3И306М

В современной электронике туннельные диоды вытеснены компонентами, более удобными для решения тех же задач. Но почему бы не поэкспериментировать с активным элементом, который когда-то считался одним из самых быстродействующих?

Туннельные диоды делятся на предназначенные для усилителей, импульсных генераторов и ключевых схем. Согласно даташиту, диоды серии 3И306 предназначены для применения в переключающих устройствах. На графике показана зависимость падения напряжения на диоде от тока через него на прямом участке ВАХ:

Характериограф у автора импровизированный, он состоит из сигнал-генератора, 10-омного резистора и осциллографа. При этом возникает ошибка: один канал осциллографа измеряет суммарное напряжение на всей последовательной цепи из диода и резистора, а другой — только на резисторе (по второму из этих напряжений можно косвенно определить ток). Рассчитать падение напряжения только на диоде можно, экспортировав кривые в CSV-файл, а затем сгенерировав графики в Python с matplotlib.

Пример ВАХ туннельного диода на экране осциллографа:

Вначале ток через диод возрастает приблизительно до 11 мА, пока напряжение не увеличивается до 150 мВ, затем резко уменьшается до 500 мкА и возрастает снова. Это — участок отрицательного дифференциального сопротивления, на котором ток падает с увеличением напряжения.

Для изучения работы диода в переключающем устройстве автор подключил его к двум BNC-разъёмам. Корпуса их соединены вместе, а между центральными контактами включён диод. Сигнал с генератора с выходным сопротивлением в 50 Ом поступает через диод на осциллограф с тем же входным сопротивлением:

Поведение диода не зависит от формы сигнала. Когда напряжение превышает пороговое, происходит переключение. Автор подавал сигнал треугольной формы с частотой порядка 100 кГц. Спадание тока происходит за 900 пикосекунд, а нарастание — за 1,1 наносекунды. Впечатляет, особенно если учитывать, что схема состоит из одной детали, не считая сигнал-генератора. У генератора прямоугольных импульсов на таймере 555 переключение длится примерно 100 наносекунд.

Но размах выходного сигнала невелик, поскольку туннельные диоды работают при малых напряжениях и токах.

Далее автор пробует применить переключательный диод не по назначению — в генераторе. Здесь он будет поддерживать в контуре незатухающие колебания:

Колебательный контур первоначально состоял из одного витка диаметром в 9 мм и конденсатора на 2 пФ. Конденсатор на 10 нФ замыкает генерируемые колебания на себя, не пропуская их в цепь питания. Напряжение питание составляет 700 мВ, после запуска генератор продолжает работать при снижении напряжения до 330 мВ.

Сначала генератор работал на частоте в 295 МГц. При замене конденсатора в контуре на другой, ёмкостью в пФ, частота возросла всего до 300 МГц, из чего следует, что собственная ёмкость диода и дальше занижала частоту. Рассчитав индуктивность витка, автор далее вычислил собственную ёмкость диода — 18 пФ. В даташите сказано, что она не превышает 30 пФ, и это оказалось так.

При наблюдении колебаний важно не внести в контур дополнительную ёмкость. У 10-кратного щупа осциллографа ёмкость составляет 10 пФ, чего достаточно, чтобы ещё уменьшить частоту. Поэтому автор замкнул вход осциллографа на корпус, получив ещё один виток — измерительный. Поднеся его к витку контура, можно получить трансформатор без сердечника. Амплитуду колебаний так не узнать, но можно посмотреть, как она зависит от напряжения питания.

Чтобы увеличить частоту генерации, автор укоротил выводы диода и подключил конденсатор с аксиальным расположением выводов прямо к ним. Виток больше не нужен, индуктивность обеспечивают выводы компонентов. После подачи на схему напряжения питания в 700 мВ началась генерация на частоте в 581 МГц. Как бы ещё увеличить её? Взять объёмный резонатор?

Вероятно, работать с туннельными диодами проектировщикам было непросто: правило «строим усилитель — получается генератор» здесь так и норовило соблюстись. Поэтому автор пока не пробовал делать на таком диоде усилитель.

Выходной сигнал автор снимал тем же способом, и хотя он выглядит как идеально синусоидальным, он может быть и искажённым, просто на частоте в 581 МГц у осциллографа на 1 ГГц для обнаружения искажений не хватает разрешающей способности. Так же, как и в предыдущем случае, точно измерить амплитуду, а значит, сравнить по ней этот генератор с предыдущим, не получится.

Туннельные диоды очень «нежны»: один из них вышел у автора из строя при снятии ВАХ из-за слишком большой амплитуды сигнала с генератора, другой — от перегрева при пайке. С оставшимися восемью автор обращался значительно деликатнее. Впаивать диод нужно при температуре не более 260 °C не дольше 3 секунд и с теплоотводом. Рекомендуемого для таких целей медного пинцета толщиной в 2 мм у автора нет, но подошёл алюминиевый зажим, изначально приобретённый для пайки германиевых компонентов:

Диоды также боятся статики, к тому же, «проверка диодов тестером не допускается». У автора после такого опыта диод выжил, но во время проверки не звонился ни в одну сторону. Определять полярность нужно по иллюстрации в даташите.

Если с туннельными диодами собираетесь экспериментировать и вы, приобретите их на всякий случай с запасом, но соблюдать эти несложные правила начинайте сразу. И тогда не потеряете ни один.

Источник