Как устроен туннельный диод: характеристики, принцип работы, маркировка

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:

• электронно-дырочный переход – в десятки раз тоньше, по сравнению с обычными диодными устройствами;
• потенциальный барьер – в 2 раза выше относительно стандартных полупроводниковых деталей;
• наличие напряженности поля даже при отключении питающего напряжения – 106 В/см.

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:

• ток пика – максимальный ток прямого направления;
• пиковое напряжение, характерное для тока пика;
• минимальный ток (ток впадины) и характерное для него напряжение;
• напряжение скачка – максимальный перепад напряжений;
• емкость – емкость между выводами полупроводника при определенной вольтовой характеристике смещения.

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:

• в качестве высокоскоростного выключателя;
• в роли усилителя, в котором повышение напряжения вызывает более значительный рост тока, по сравнению со стандартными диодными устройствами;
• для получения и усиления электромагнитных колебаний;
• в радиоэлектронных переключающих и импульсных устройствах различного назначения, для которых актуально высокое быстродействие.

Преимущества и недостатки

Плюсы туннельных диодов:

• особая вольтамперная характеристика в определенном интервале напряжений;
• уникальное быстродействие, малая инерционность;
• устойчивость к ионизирующему излучению;
• сниженное потребление электроэнергии от источника электропитания.

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.

---

Была ли статья полезна?

Да

Нет

Оцените статью

Что вам не понравилось?

---

Другие материалы по теме

Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.

Изучаем туннельный диод на примере 3И306М / Habr

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.

Как проверить туннельный диод мультиметром. Как проверить диод мультиметром

Светоизлучающие диоды нашли широкое применение в современных осветительных приборах. Это обусловлено их экономичностью и высокой надежностью по сравнению с обычными электролампами. Тем не менее, LED-элементы не застрахованы от неисправностей. Проверить их работоспособность можно различными способами, но наиболее точным и простым методом является проверка с помощью тестера. В этой статье мы поговорим о том, как проверить светодиод мультиметром, и каковы особенности этой процедуры.

Тестирование светодиодов в режиме прозвонки

Мультиметр представляет собой универсальный измеритель, который позволяет проверить исправность практически любого электрического устройства или элемента. Чтобы проверить с помощью тестера светоизлучающий диод, необходимо, чтобы прибор мог переключаться в режим проверки диодов, который чаще всего называют прозвонкой.

Проверка исправности светодиода мультиметром производится в следующем порядке:

• Установить переключатель тестера в режим проверки диодов.
• Подключить щупы мультиметра к контактам проверяемого элемента.

• При подключении LED следует учитывать полярность его выводов (черный щуп измерительного прибора подключается к катоду, а красный – к аноду). Впрочем, если точное расположение полюсов неизвестно, то ничего страшного в неправильном подсоединении нет, и светодиод в этом случае из строя не выйдет.

Если щупы подключены к контактам неправильно, то начальные показания на табло тестера не изменятся. Если полярность не перепутана, рабочий диод начнет светиться.

• Ток прозвонки имеет небольшое значение, и его недостаточно для того, чтобы светодиод работал в полную силу. Поэтому увидеть свечение элемента можно, слегка затемнив помещение.
• Если возможности приглушить освещение нет, нужно посмотреть на показания мультиметра. При проверке рабочего диода значения на табло прибора будут отличаться от единицы.

Наглядно проверка светодиодов на видео:

С помощью этого метода можно проверить на работоспособность даже мощный диод. Минус такого способа заключается в том, что провести диагностику элементов, не выпаивая их из схемы, не получится. Чтобы протестировать LED в схеме, к щупам необходимо подсоединить переходники.

Иногда исправность детали проверяется путем измерения сопротивления, но этот способ не получил широкого распространения, поскольку чтобы воспользоваться им, нужно знать технические параметры диода.

Проверка светодиодов без выпаивания

Для подсоединения щупов измерительного прибора к колодке PNP к ним следует припаять маленькие металлические наконечники, для чего можно использовать простые канцелярские скрепки.

Чтобы надежнее изолировать кабели с припаянными наконечниками, следует вставить между ними прокладку из текстолита и обмотать конструкцию изолентой.

Путем этих несложных манипуляций мы получим надежный и одновременно простой переходник, с помощью которого сможем подсоединить щупы мультиметра к контактам светоизлучающего диода.

Затем щупы подключаются к контактам LED-элемента, при этом выпаивать последний из общей схемы не требуется. Дальнейшая проверка производится в том же порядке, который описан выше.

Приведем наглядный пример проверки исправности светодиода без выпаивания его из схемы.

Проверка светоизлучающих диодов в фонариках

При тестировании элементов светодиодных фонариков прибор нужно разобрать и достать из него плату со смонтированными LED. Затем наконечники, припаянные к щупам мультиметра, подключаются с соблюдением полярности к ножкам светодиода прямо на плате.

Переключатель тестера устанавливается в режим прозвонки, после чего можно определить, исправен ли элемент, по отразившимся показаниям на табло и по наличию (или отсутствию) свечения.

Проверка светодиодов без выпаивания удобна и тем, что позволяет определить неисправность путем замера величины сопротивления в схеме. Так, при параллельном подключении LED приближающееся к нулю сопротивление говорит о неисправности как минимум одного из элементов. Получив такие результаты, нужно проверить каждый светодиод по отдельности вышеизложенными способами.

На видео проверка светодиодов лампочки без выпаивания:

Заключение

Из этого материала вы узнали, как проверить светодиод на исправность мультиметром. Процедура эта совсем несложна, и, имея под рукой обычный тестер, каждый сможет проверить работоспособность светодиодов в бытовых приборах.

И светодиод мультиметром? Оказывается, все очень просто. Как раз об этом мы и поговорим в нашей статье.

Как проверить диод мультиметром

На фото ниже у нас простой диод и светодиод.

Берем наш и ставим крутилку на значок проверки диодов. Подробнее об этом и других значках я говорил в статье как измерить ток и напряжение мультиметром

Хотелось бы добавить пару слов о диоде. Диод, как и резистор, имеет два конца. И называются они катод и анод . Если на анод подать плюс, а на катод минус, то через диод спокойно потечет , а если на катод подать плюс, а на анод минус — ток НЕ потечет. Это принцип работы , на котором работают все диоды.

Проверяем первый диод. Один щуп мультиметра ставим на один конец диода, другой щуп на другой конец диода.

Как мы видим, мультиметр показал напряжение в 436 милливольт. Значит, конец диода, который касается красный щуп — это анод, а другой конец — катод. 436 милливольт — это падение напряжения на прямом переходе диода. По моим наблюдениям, это напряжение может быть от 400 и до 700 милливольт для кремниевых диодов, а для германиевых от 200 и до 400 милливольт.

Как проверить туннельный диод CAVR.ru

Рассказать в:
Об исправности и качестве туннельного диода судят по характеру изменения его тока, вызванного изменением приложенного к диоду напряжения.
Процесс испытания весьма прост и заключается в следующем.
1. Собирают схему, приведенную на рисунке.

В качестве источника питания используют гальванический элемент с током разряда порядка 50мА, а в качестве измерителя тока миллиамперметр, ток полного отклонения которого равен или превышает ток максимума испытуемого диода. Номинальные значения токов максимума и другие параметры некоторых арсенидо-галлиевых и германиевых туннельных диодов приведены ниже.
Параметры арсенидо-галлиевых туннельных диодов

2. Устанавливают щетку переменного резистора R1 в крайнее правое по схеме положение, т. е. вводят в цепь все сопротивление, и присоединяют к зажимам 31 и 32 испытуемый туннельный диод (при показанной на рисунке полярности напряжения элемента анод диода соединяют с зажимом 32, а катод — с зажимом 31).
3. Медленно вращают ось резистора R1 в направлении уменьшения его сопротивления и наблюдают за миллиамперметром. Если диод исправен, то ток, измеряемый миллиамперметром, быстро увеличивается, достигает максимума (Iмакс), а затем резко уменьшается.

Дальнейшее повышение напряжения на диоде, осуществляемое путем уменьшения сопротивления R1, вызывает уменьшение тока до минимума (Iмин), а затем снова рост до максимума и выше. Доводить ток на этой второй восходящей ветви до значений, превышающих Iмакс, не рекомендуется.
Чем больше отношение, тем лучше диод.

Параметры германиевых туннельных диодов

---

Раздел: [Конструкции для дома]
Сохрани статью в:
Оставь свой комментарий или вопрос:

---

---

принцип работы, ВАХ и обозначение на схеме

Туннельный диод – особый тип диодов, параметры которого, отличаются по своим характеристикам и строению от других разновидностей диодов. Эти радиодетали так называются потому что их работоспособность объясняется наличием туннельного эффекта. Это выражается в особом квантовом явлении. Электроны внутри него неким образом смещается проходя через p-n-p переход. Этот эффект используется в радиоэлектронике и различных устройствах радиотехнике.

Потенциал, требуемый для создания туннельного эффекта, не отличается большой мощностью. Также такие диоды имеют небольшое сопротивление и не мешают движению тока в электроцепи. Подробнее о туннельных диодах читатель узнает далее, в качестве дополнительных материалов предложены интересные видеоролики и дополнительный материал по данной теме в конце статьи.

Туннельный диод.

Отрицательное сопротивление

Согласно закону Ома классическая зависимость силы тока и напряжения носит прямо пропорциональный характер – чем выше прикладываемая к нагрузке разность потенциалов, тем больше сила тока. В туннельных диодах, в очень узком интервале входных напряжений, при увеличении прямого смещения дифференциальное сопротивление диода становится отрицательным, и ток не растёт, а, напротив, падает.

Сила тока уменьшается до некоего минимального значения, зависящего от параметров конкретного радиокомпонента. При дальнейшем повышении напряжения ток снова начинает расти, и вольт-амперная характеристика возвращается к своему обычному виду. Данное изменение силы тока выглядит как импульс, то есть поведение туннельного диода в этот момент напоминает функционирование генератора.

График работы туннельного диода.

Повторимся, что описанное явление наблюдается в чрезвычайно узком интервале входной разности потенциалов, поэтому рабочие напряжения туннельных диодов не превышают единиц милливольт. Это делает элементы почти идеальными детекторами малых смещений и позволяет использовать их в низковольтной переключающей аппаратуре – всевозможных коммутаторах и так далее. В перечень основных характеристик туннельного диода входят следующие:

1. пиковый ток и ток впадины;
2. пиковое напряжение и напряжение впадины;
3. удельная ёмкость;
4. резистивная и резонансная частоты.

Именно по этим параметрам подбираются радиокомпоненты для конкретных устройств. Для того чтобы возник туннельный эффект, полупроводник должен быть особым образом подготовлен. Технологически это осуществляется с помощью легирования металлическими примесями. Полупроводник при этом легируется настолько интенсивно, что его собственные свойства почти исчезают. Именно поэтому такие материалы называются вырожденными.

Схема работы туннельного диода.

Некоторые учёные называют вырожденные полупроводники полуметаллами – настолько сильны у них металлические свойства. Тем не менее, этого недостаточно для признания их типичными металлами. То есть диод, изготовленный из вырожденных полупроводников, ведёт себя всё-таки, как обычный вентиль, то есть при приложении обратного смещения запирается.

Узкий p-n-переход

Другая особенность туннельного диода состоит в чрезвычайно небольшой толщине p-n-перехода. Узость переходной зоны определяется невысокой концентрацией собственных носителей заряда в полупроводниках. Небольшая толщина p-n-перехода является причиной высокого уровня напряжённости электрического поля, которая и является основным фактором того, что электроны получают достаточно энергии для того, чтобы преодолеть запрещённую энергетическую зону и пройти через p-n-переход в обратном направлении.

Материал по теме: Что такое реле времени

Частотные свойства туннельных диодов

Физика вырожденных полупроводников обуславливает отсутствие накопления неосновных носителей заряда в базе диода – они все задействованы в туннелировании. Из-за этого время протекания переходных процессов оказывается ничтожно малым – порядка долей наносекунд. Это даёт широкие возможности использования туннельных диодов в сверхвысокочастотных устройствах, работающих с сигналами частотой до сотен ГГц.

Подробности об устройстве простым языком

Туннельный диод — это специальный диод, характеристики которого отличаются от характеристик любого обычного диода или стабилитрона. Как обычный диод, так и стабилитрон являются очень хорошими проводниками, имея прямое смещение, но ни один из них не проводит хорошо ток в состоянии обратного смещения (исключение составляет область пробоя). Параметры туннельных диодов представлены в таблице ниже.

Таблица основных параметров туннельных диодов.

Но в материале туннельного диода имеются присадки в гораздо большем объеме, нежели в обычном диоде, а его P-N переход очень узкий. Туннельный диод в силу того, что имеет большое количество присадок и очень узкий P-N переход, исключительно хорошо проводит ток в обе стороны.

Туннельный диод.

Принцип действия туннельного диода

Потенциал, который необходим для того, чтобы заставить туннельный диод выступать в роли проводника, будь то в режиме прямого или обратного смещения, очень невелик, обычно этот потенциал находится в диапазоне милливольт. Именно поэтому туннельные диоды известны как приборы с низким сопротивлением. Они очень слабо противодействуют движению тока в цепи. Самой уникальной особенностью туннельных диодов является их соотношение напряжение-ток, когда они имеют прямое смещение. Когда туннельный диод имеет прямое смещение (от точки А до точки В на графике) при увеличении напряжения, ток также растет до определенной величины.

Как только это значение оказывается достигнутым, дальнейшее повышение напряжения при прямом смещении заставляет ток снижаться до минимального значения (от точки В до точки С). В области, которая находится на графике между максимальным и минимальным потоками тока, туннельный диод имеет отрицательное сопротивление. В этой области отрицательного сопротивления ток, идущий через туннельный диод, фактически снижается при повышении напряжения. Происходит прямо противоположное обычному соотношению напряжение ток. Однако, когда напряжение за точкой С повышается, то данный прибор демонстрирует обычное соотношение напряжения и тока.

В обычных условиях туннельные диоды работают в области своего отрицательного сопротивления. В данной области незначительное уменьшение напряжения включает этот прибор, а небольшое повышение — выключает его. В качестве такого своеобразного выключателя туннельный диод может использоваться либо как генератор, либо как высокоскоростной выключатель: специфическая особенность прибора, низкое сопротивление, позволяет почти мгновенно изменять внутреннее сопротивление. Туннельные диоды могут также использоваться в качестве усилителей, где изменения в подаваемом напряжении в сторону повышения, вызывают пропорционально более значительные изменения тока в цепи.

Диоды в упаковке.

Применение туннельных диодов

На рис. 1, 2 и 3 представлены три различных схемных применения генератора на туннельном диоде. Изображенный на рис.1 ЧМ передатчик очень прост и обеспечивает надежный прием в радиусе 10— 30 м при использовании штыревой антенны и ЧМ приемника средней чувствительности. Ввиду того, что схема модуляции передатчика простейшая, выходной сигнал несколько искажен, и, кроме частотной модуляции, получаемой за счет изменения синхронно с сигналом микрофона собственной частоты генератора, имеется значительная амплитудная модуляция. Сильно увеличивать выходную мощность такого передатчика нельзя, так как он является источником помех. Такой передатчик можно использовать какпереносный радиомикрофон, вызывное или переговорное устройство для малых расстояний.

Изображенный на рис. 3 камертонный генератор звуковой частоты может использоваться, как эталон для настройки музыкальных инструментов или телеграфный зуммер. Генератор может работать и на диодах с меньшими токами максимума. В этом случае должно быть увеличено число витков в катушках, а динамический громкоговоритель включен через усилитель. Для нормального функционирования генератора полное омическое сопротивление (r+ r катушки) должно быть меньше ¦ — Rg ¦, а положение ножек камертона относительно магнитного сердечника тщательно юстировано. Чтобы рабочая точка диода попала на участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, необходим источник напряжения с очень малым внутренним сопротивлением.

Размер туннельного диода.

Величина этого сопротивления в большинстве случаев колеблется в пределах от нескольких десятков ом до нескольких ом. Если сопротивление, включенное последовательно с туннельным диодом, оказывается больше 2,5Rд, то рабочая точка не может устойчиво находиться на участке с отрицательным сопротивлением. Для питания устройств на туннельных диодах применяется схема, приведенная на рис.4. Величина сопротивления шунта Rш выбирается из условия Rш=(0,2-0,3)Rд Сопротивление R2 предохраняет диод и шунт Rш от повреждений при полном выведении сопротивления R1.

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним p-n- переходом и двумя омическими контактами (омическим называют контакт металла с полупроводником, не обладающий выпрямляющим свойством), к которым присоединяются два вывода. Электрический переход чаще всего образуется между двумя полупроводниками с разным типом примесной электропроводности (р- или n- типа), одна из областей (низкоомная) является эмиттером, другая (высокоомная) – базой. Структура диода и условное обозначение в схемах выпрямительного диода показаны на рисунках 3.1 а, б. Иногда электрический переход образуется между полупроводником р- или n-типа и металлом, такой переход называют контактом металл-полупроводник.

Классифицируют диоды по различным признакам:

• полупроводниковому материалу: кремниевые, германиевые, из
• арсенида галлия;
• по физической природе процессов, обусловливающих их работу:
• туннельные, фотодиоды, светодиоды и др.;
• по назначению: выпрямительные, импульсные, и др.;
• по технологии изготовления электрического перехода: сплавные
• диффузионные и др.;
• по типу электрического перехода: точечные и плоскостные.

Основной является классификация по назначению диода. Точечные диоды имеют очень малую площадь электрического перехода. Линейные размеры, определяющие ее, меньше ширины р-n-перехода. Точечный электрический переход можно создать в месте контакта небольшой пластинки полупроводника 3 и острия металлической проволочки-пружины 4 даже при простом их соприкосновении.

Диод на схеме.

Более надежный точечный электрический переход образуется формовкой контакта, для чего через собранный диод пропускают короткие импульсы тока (порядка нескольких ампер). В результат формовки острие пружинки надежно приваривается к пластинке полупроводника. При этом из-за сильного местного нагрева материал острия пружинки расплавляется и диффундирует в пластинку полупроводника, образуя слой иного типа, чем полупроводник.

Между этим слоем и пластинкой образуется р-n-переход полусферической формы. Площадь р-n-перехода составляет примерно 10 2 − 10 3 мкм 2 . Точечные диоды в основном изготовляют из германия п-типа, металлическую пружинку из тонкой проволочки (диаметром от 0.05 мм до 0.1 мм), материал которой для германия p-типа должен быть акцептором (например, бериллий). Корпус точечных диодов герметичный.

Он представляет собой керамический или стеклянный баллон 2, покрытый черной светонепроницаемой краской (во избежание проникновения света, так как кванты света могут вызвать генерацию носителей заряда вблизи р-n-перехода, а следовательно, увеличить обратный ток диода).

Материал в тему: Что такое кондесатор

Благодаря малой площади р-n-перехода емкость точечных диодов очень незначительна и составляет десятые доли пкФ. Поэтому точечные диоды используют на высоких (порядка сотен МГц) и сверхвысоких частотах. Их применяют в основном для выпрямления переменного тока высокой частоты (выпрямительные диоды высокочастотные) и в импульсных схемах (импульсные диоды) /3/.

Так как площадь р-n-перехода точечною диода мала, то прямой ток через переход должен быть небольшим (от 10 mА до 20 mА) из-за малой мощности (около 20 mВт), рассеиваемой переходом.

Заключение

Более подробно об этом  можно узнать, прочитав статью Особенности работы туннельного диода. В нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессиональных электронщиков. Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vk.com/electroinfonet.

В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:

www.kipiavp.ru

www.eandc.ru

www.window.edu.ru

www.shema.ru

принцип работы, схемы и т.д.

Туннельный диод — это специальный диод, характеристики которого отличаются от характеристик любого обычного диода или стабилитрона.

Как обычный диод, так и стабилитрон являются очень хорошими проводниками, имея прямое смещение, но ни один из них не проводит хорошо ток в состоянии обратного смещения (исключение составляет область пробоя). Но в материале туннельного диода имеются присадки в гораздо большем объеме, нежели в обычном диоде, а его P-N переход очень узкий. Туннельный диод в силу того, что имеет большое количество присадок и очень узкий P-N переход, исключительно хорошо проводит ток в обе стороны.

Схема туннельного диода

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип действия туннельного диода

Потенциал, который необходим для того, чтобы заставить туннельный диод выступать в роли проводника, будь то в режиме прямого или обратного смещения, очень невелик, обычно этот потенциал находится в диапазоне милливольт. Именно поэтому туннельные диоды известны как приборы с низким сопротивлением. Они очень слабо противодействуют движению тока в цепи.

График напряжение-ток типичного туннельного диода

Самой уникальной особенностью туннельных диодов является их соотношение напряжение-ток, когда они имеют прямое смещение. Когда туннельный диод имеет прямое смещение (от точки А до точки В на графике) при увеличении напряжения, ток также растет до определенной величины. Как только это значение оказывается достигнутым, дальнейшее повышение напряжения при прямом смещении заставляет ток снижаться до минимального значения (от точки В до точки С). В области, которая находится на графике между максимальным и минимальным потоками тока, туннельный диод имеет отрицательное сопротивление. В этой области отрицательного сопротивления ток, идущий через туннельный диод, фактически снижается при повышении напряжения. Происходит прямо противоположное обычному соотношению напряжение ток. Однако, когда напряжение за точкой С повышается, то данный прибор демонстрирует обычное соотношение напряжения и тока.

В обычных условиях туннельные диоды работают в области своего отрицательного сопротивления. В данной области незначительное уменьшение напряжения включает этот прибор, а небольшое повышение — выключает его. В качестве такого своеобразного выключателя туннельный диод может использоваться либо как генератор, либо как высокоскоростной выключатель: специфическая особенность прибора, низкое сопротивление, позволяет почти мгновенно изменять внутреннее сопротивление. Туннельные диоды могут также использоваться в качестве усилителей, где изменения в подаваемом напряжении в сторону повышения, вызывают пропорционально более значительные изменения тока в цепи.

Туннельные диоды

Добавлено 12 июня 2017 в 14:00

Сохранить или поделиться

Туннельные диоды используют странное квантовое явление, называемое резонансным туннелированием, для обеспечения отрицательных сопротивлений на участке прямого смещения вольтамперной характеристики. Когда на туннельный диоды подается небольшое напряжение прямого смещения, он начинает проводить ток (рисунок (b) ниже). При увеличении напряжения ток увеличивается и достигает пикового значения, называемого током пика (I_P). Если напряжение еще немного увеличить, ток фактически начинает уменьшаться, пока не достигнет нижней точки, называемой током впадины (I_V). Если напряжение увеличивается дальше, ток начинает возрастать снова, на этот раз без снижения в другую «впадину». Условное обозначение туннельного диода показано на рисунке (a) ниже.

Туннельный диод: (a) Условное графическое обозначение. (b) Вольтамперная характеристика. (c) Генератор.

Прямые напряжения, необходимые для доведения туннельного диода до его токов пика и впадины, известны как напряжение пика (V_P) и напряжение впадины (V_V), соответственно. Область на графике, где ток уменьшается при увеличении приложенного напряжения (между V_P и V_V по горизонтальной шкале), известна как область отрицательного дифференциального сопротивления.

Туннельные диоды, также известные как диоды Эсаки в чести своего японского изобретателя Лео Эсаки, способны очень быстро переходить между токовыми уровнями пика и впадины, «переключаясь» между высоким и низким состояниями проводимости намного быстрее даже диодов Шоттки. Характеристики туннельного диода также относительно не подвержены влиянию на изменения температуры.

Зависимость напряжения пробоя от степени легирования

Туннельные диоды сильно легируются как P, так и в N областях, в 1000 раз больше по сравнению с выпрямительными диодами. Это видно на рисунке выше. Обычные диоды находятся далеко слева, стабилитроны слева, а туннельные диоды справа от пунктирной линии. Сильное легирование создает необычно тонкую обедненную область. Это создает необычно низкое напряжение обратного пробоя с высокой утечкой. Тонкая обедненная область становится причиной высокой емкости. Чтобы избавиться от нее, площадь перехода туннельного диода должна быть крошечной. Участок прямого смещения характеристики диода состоит из двух областей. Обычный участок прямого смещения с экспоненциальным ростом тока за пределами V_F, 0,3 В для Ge, 0,7 В для Si. Между 0 В и V_F находится дополнительный пик «отрицательного сопротивления» на характеристике. Это связано с квантовомеханическим туннелированием из-за двойной корпускулярно-волновой природы электронов. Обедненная область настолько тонка по сравнению с эквивалентной длиной волны электрона, что они могут создавать туннель через нее. Им не нужно преодолевать обычное прямое напряжение диода V_F. Энергетический уровень зоны проводимости материала N-типа перекрывает уровень валентной зоны в области P-типа. При увеличении напряжения начинается туннелирование; ток увеличивается до определенной точки. По мере увеличения тока энергетические уровни перекрываются меньше; ток уменьшается с увеличением напряжения. На графике это соответствует участку «отрицательного дифференциального сопротивления».

Туннельные диоды не являются хорошими выпрямителями, так как они имеют относительно высокий ток «утечки» при обратном смещении. Следовательно, они находят применение только в специальных схемах, где имеет значение их уникальный туннельный эффект. Чтобы использовать туннельный эффект, эти диоды поддерживаются под напряжением смещения где-то между уровнями напряжения пика и впадины, всегда в прямом смещении (на анод – плюс, на катод – минус).

Возможно, наиболее распространенным применением туннельного диода являются простые схемы высокочастотных генераторов, как показано на рисунке (c) выше, где он позволяет источнику постоянного напряжения подводить питание к схеме параллельного LC контура, а диод проводит ток, когда напряжение на нем достигает уровня пика (туннеля), и эффективно изолирует при всех других напряжениях. Резисторы смещают туннельный диод на несколько десятых долей вольта на центр участка отрицательного дифференциального сопротивления на графике вольтамперной характеристики. Резонансный LC контур может быть секцией волновода для работы на СВЧ. В этом случае возможна генерация колебаний до 5 ГГц.

В свое время туннельный диод был единственным доступным твердотельным микроволновым усилителем. Туннельные диоды были популярны, начиная с 1960-х годов. Они были более долгоживущими, чем усилители на лампах бегущей волны, что важно при использовании в спутниковых передатчиках. Благодаря сильному легированию туннельные диоды также устойчивы к радиации. Сегодня на СВЧ работают различные транзисторы. Даже небольшие сигнальные туннельные диоды стоят дорого, и сегодня их трудно найти. Существует один оставшийся производитель германиевых туннельных диодов и ни одного производителя кремниевых устройств. Они иногда используются в военной технике, поскольку не чувствительны к радиации и большим изменениям температуры.

Были проведены некоторые исследования, связанные с возможной интеграцией кремниевых туннельных диодов в интегральные микросхемы CMOS. Считается, что они способны к коммутации на частоте 100 ГГц в цифровых схемах. Единственный производитель германиевых устройств производит их по одному за раз. Поэтому необходимо, сначала разработать процесс пакетного производства кремниевых туннельных диодов, а затем интегрировать его в процессы производства CMOS.

Туннельный диод Эсаки не следует путать с резонансным туннельным диодом (описан в главе 2) с более сложной конструкцией из составных полупроводников. RTD – это новейшая разработка, способная к работе на более высоких скоростях.

Оригинал статьи:

Теги

ДиодОбучениеТуннельный диодЭлектроника

Сохранить или поделиться