Site Loader

Содержание

Изучаем туннельный диод на примере 3И306М / Хабр

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 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 диодовОбозначение 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.


Туннельный диод

Описание особенностей устройства туннельных диодов: как они работают, из каких материалов изготавливаются, обозначение туннельных диодов на схемах. На какие параметры обратить внимание при выборе диода и как проверить его работоспособность.

Что такое туннельный диод

Определение

Итак, туннельный диод – это полупроводниковый диод, созданный на базе вырожденного полупроводника, на ВАХ (Вольт Амперная Характеристика) которого присутствует область с отрицательным дифференциальным сопротивлением при приложении напряжения в прямом направлении, который объясняется туннельным эффектом.

Кто и когда создал

Данный элемент впервые был предложен в 1957 году ученым из Японии
Р. Эсаки и изготавливался либо из германия, либо из арсенида галлия с огромным количеством присадок с минимальным удельным сопротивлением.

Более удачной было признана компоновка с арсенидом галлия, где применялись: Доноры – олово, сера, теллур, свинец, селен и также акцепторы – кадмий и цинк.

Японский физик Reona Esaki показывает свой “Диод Эсаки”. 29 декабря 1959 год, Токио

За экспериментальное обнаружение эффекта туннелирования электронов в диодах в 1973 году Р. Эсаки был удостоен Нобелевской премии.

Принцип действия и особенности туннельного диода

Для туннельных диодов с экстремально малым сопротивлением, относящимся к так называемой группе вырожденных, свойственны следующие особенности:

Если сравнить с обычными диодными устройствами, то электронно-дырочный переход в несколько десятков раз тоньше у туннельных диодов.

А вот потенциальный барьер наоборот выше в два раза по сравнению с обычными полупроводниковыми элементами.

Кроме этого на изделиях присутствует напряженность поля величиной в 106 В/см даже после отключения напряжения питания.

При этом уникальные свойства проявляются в его ВАХ при прямом смещении в полупроводнике.

ВАХ туннельного диода и обычного диода

Если вы внимательно посмотрите на выше представленную схему, то увидите, что на участке «А» ток возрастает с ростом напряжения, а вот уже на участке «В» наблюдается проявление полупроводником отрицательного сопротивления (туннельный эффект). Это приводит к тому, что при росте напряжения ток наоборот уменьшается. Но уже на участке «С» мы наблюдаем вновь прямую зависимость увеличения тока от роста напряжения на элементе.

Так вот туннельные диоды работают в области «В», рост напряжения выключает его, а снижение – включает.

Главные параметры изделия

Если необходимо выбрать туннельный диод, то следует обращать внимание на следующие параметры:

1. Ток пика – это максимально возможный ток прямого направления;

2. Пиковое напряжение, которое характерно для тока пика;

3. Минимальный ток (или как его еще называют – ток впадины) и соответствующее этому току напряжение;

4. Максимальный перепад напряжений;

5. Емкость – между выводами полупроводника при конкретной вольтовой характеристике смещения.

туннельный диод

Где применяются

Туннельные диоды применяются в таких областях как:

1. В роли высокоскоростного выключателя.

2. В роли усилителя, где рост напряжения провоцирует более значительное изменение силы тока чем в других полупроводниках.

3. Для приема и усиления электромагнитных колебаний.

4. В различных радиоэлектронных переключателях, работающих на повышенных частотах до 30-100 ГГц.

Графическое изображение элемента на схемах

Плюсы и минусы устройства

К плюсам данного элемента можно отнести следующие моменты:

– Особая ВАХ;

– высокое быстродействие в купе с минимальной инерционностью;

– повышенная устойчивость к ионизированному излучению;

– минимальное потребление энергии от источника питания (до 30 милливольт).

К минусам же относятся следующие аспекты:

– Изделие подвержено значительному «старению», что приводит к существенному изменению заявленных характеристик с течением времени.

– Туннельный диод – крайне чувствительный элемент, поэтому его нельзя: перегревать (например, паяльником), прозванивать, а переносить необходимо только в специальных контейнерах.

Возможно вам будет интересно:

Что нужно знать каждому об умных электросчетчиках

Это все, что я хотел вам рассказать о таком удивительном элементе как туннельный диод. Если вам понравилась статья и было интересно, тогда с вас палец вверх и спасибо, что дочитали до конца!

Устройство[править | править код]

Туннельный диод представляет собой p-n переход, обе области в котором имеют предельно сильное, до вырождения, легирование (концентрации доноров N D {displaystyle N_{D}} в n-области и акцепторов N A {displaystyle N_{A}} в p-области могут превышать 1019 см-3). В качестве полупроводникового материала используются кремний, германий, соединения AIIIBV. Прибор имеет два вывода, которые подключаются к общей цепи тем или иным способом.

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.

История изобретения[править | править код]

«Генерирующий детектор»[править | править код]

Впервые «генерирующий детектор» — диод, образованный контактом металла с полупроводником и имеющий отрицательное дифференциальное сопротивление — был продемонстрирован Уильямом Экклзом в 1910 году, но в то время не вызвал интереса[3].

В начале 1920-х годов советский радиолюбитель, физик и изобретатель Олег Лосев независимо от Экклза обнаружил эффект отрицательного дифференциального сопротивления в диодах из кристаллического оксида цинка, выращенного гидротермально из водного раствора гидроксида цинка и цинката калия[нет в источнике]. Этот эффект получил название «кристадинный» и использовался для генерации и усиления электрических колебаний в радиоприёмниках и передатчиках, но вскоре был вытеснен из практической радиотехники электровакуумными приборами. Механизм возникновения кристадинного эффекта неясен. Многие специалисты предполагают, что он вызван туннельным эффектом в полупроводнике, но прямых экспериментальных подтверждений этого (по состоянию на 2004 год) получено не было. Существуют и другие физические явления, способные послужить причиной кристадинного эффекта[3]. При этом кристадин и туннельный диод — это разные устройства, и отрицательное дифференциальное сопротивление у них проявляется на разных участках вольт-амперной характеристики[источник не указан 519 дней].

Собственно туннельный диод[править | править код]

Впервые туннельный диод был изготовлен на основе германия в 1957 году Лео Эсаки, который в 1973 году получил Нобелевскую премию по физике за экспериментальное обнаружение эффекта туннелирования электронов в этих диодах.

Применение[править | править код]

Туннельный диод 1N3716 (рядом для масштаба сфотографирован

джампер

)

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

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

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 иэлектронов 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.

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.

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.

Литература

  • Лебедев А. И. Физика полупроводниковых приборов. Физматлит, 2008.

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.

Туннельный диод. Принцип действия и параметры кратко…

Привет, сегодня поговорим про туннельный диод , обещаю рассказать все что знаю. Для того чтобы лучше понимать что такое туннельный диод , принцип действия туннельного диода, вах туннельного диода, параметры туннельного диода,туннельные диоды , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

туннельный диод — полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором при приложении напряжения в прямом направлении, туннельный эффект проявляется в появлении участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольт-амперной характеристике.

Туннельный диод представляет собой полупроводниковый диод с вольтамперной характеристикой N-типа, принцип действия которого основан на эффекте туннельного прохождения носителей заряда через потенциальный барьер p-n-перехода с вырожденными p- и n-областями.

Обозначение на схемах

Вольт-амперная характеристика туннельного диода. В диапазоне напряжений от U1 до U2 дифференциальное сопротивление отрицательно.

Пиковый ток – прямой ток в точке максимума ВАХ.

Ток впадины – прямой ток в точке минимума ВАХ.

Напряжение впадины – прямое напряжение, соответствующее току впадины.

Напряжение пика Uп– прямое напряжение, соответствующее пиковому току.

Напряжение раствора – прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому.

Устройство тунельных диодов

Обычные диоды при увеличении прямого напряжения монотонно увеличивают пропускаемый ток. В туннельном диоде квантово-механическое туннелирование электронов добавляет горб в вольт-амперную характеристику, при этом, из-за высокой степени легирования p и n областей, напряжение пробоя уменьшается практически до нуля. Туннельный эффект позволяет электронам преодолеть энергетический барьер в зоне перехода с шириной 50-150 Å при таких напряжениях, когда зона проводимости в n-области имеет равные энергетические уровни с валентной зоной р-области При дальнейшем увеличении прямого напряжения уровень Ферми n-области поднимается относительно р-области, попадая на запрещенную зону р-области, а поскольку туннелирование не может изменить полную энергию электрона, вероятность перехода электрона из n-области в p-область резко падает . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Это создает на прямом участке вольт-амперной характеристики участок, где увеличение прямого напряжения сопровождается уменьшением силы тока. Данная область отрицательного дифференциального сопротивления и используется для усиления слабых сверхвысокочастотных сигналов.

Один из вариантов конструкции диода представлен на рис. 5.2. В качестве подложки GaAs структуры использован наиболее высокоомный материал, который обычно называют «полуизолирующим». Выращенный на подложке эпитаксиальный p+-слой защищен слоем окисла SiO2. В окисле вскрываются отверстия нужного диаметра, в них наносятся Sn для формирования n+-области и сплав Au + Ge для создания омического контакта. При нагревании структуры происходит вплавление нанесенных материалов, после охлаждения и рекристаллизации образуется n+-область туннельного диода. В нужных точках припаиваются металлические шариковые контакты, к которым впоследствии контактируют внешние выводы. Распространены также варианты конструкции диодов с балочными выводами.

Рис. 5.2. Вариант конструкции туннельного диода

История изобретения

В начале 1920-х годов в России Олег Лосев обнаружил кристадинный эффект в диодах из кристаллического ZnO, выращенного гидротермально из водного раствора гидроксида цинка и цинката калия — эффект отрицательного дифференциального сопротивления.

Впервые туннельный диод был изготовлен на основе Ge в 1957 году Лео Эсаки, который в 1973 году получил Нобелевскую премию по физике за экспериментальное обнаружение эффекта туннелирования электронов в этих диодах.

принцип действия туннельного диода

туннельные диоды с очень малым сопротивлением относят к группе вырожденных. они имеют:

  • 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.

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.

Проверка и диагностика туннельного диода на работоспособность

Проверять работоспособность туннельный диод 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.

Примеры схем на туннельном диоде

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.

См. также

Понравилась статья про туннельный диод ? Откомментируйте её Надеюсь, что теперь ты понял что такое туннельный диод , принцип действия туннельного диода, вах туннельного диода, параметры туннельного диода,туннельные диоды и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

как прозвонить, проверка не выпаивая из схемы

Любая электроаппаратура рано или поздно выходит из строя. Зачастую причиной поломки может быть перегоревший полупроводник — совсем небольшой элемент  из схемы. А одна из самых распространенных деталей — банальный полупроводниковый диод.

В сущности, он встречается практически во всех схемах.  Как проверить диод мультиметром — мы и расскажем.

Что такое диод и как он работает

В этой радиодетали два разных полупроводника:

К ним подсоединяют два выхода электродов:

Эти проводники обладают разной проводимостью. При работе получается зона p-n перехода, когда по одну сторону накапливаются положительно заряженные ионы, а с другой — электроны.

Итак, принцип работы:

  1. Когда по элементу проходит ток, он начинает воздействовать на катод, накаливая его. Электрод начинает испускать электроны.
  2. Между электродами образуется электрическое поле.
  3. Так как анод с положительным потенциалом — он притягивает электроны к себе. Происходит появление эмиссионного тока.
  4. Теперь все те электроны, которые добрались до анода, образуют катодный ток.
  5. Весь компонент пропускает электрический ток.
  6. Если же на аноде появляется отрицательный заряд, диод остается в запертом положении и размыкает электрическую цепь.

 

Иными словами, этот полупроводник способен пропускать электрический ток исключительно в одном направлении.

Знание того как работает этот элемент поможет проверить исправность диода.

Современные конструкции встречаются в разных корпусах:

  • металлическом;
  • стеклянном;
  • пластиковом.

Основные типы и разновидности

Мы все знаем и понимаем, что прогресс в радиоэлектронике  начался с появлением диода. Некоторые пользователи должны еще помнить вакуумные диодные лампы.

Теперь им на смену пришли полупроводниковые детали. Они экономичны, но основное преимущество — миниатюризация электронных девайсов.

Рассмотрим, какого типа бывают диоды.

Выпрямительные

Этот тип электронных элементов можно часто встретить в блоке питания для разных устройств. Так называемые «диодные мостики,» которые применяются для смены переменного тока в постоянный.

Изменяя степень насыщения этих радиоэлементов различным внутренним содержимым, можно получит полупроводник с различными свойствами с учетом необходимых параметров.

Стабилитроны

Следующий радиодеталь из семейства диодов — стабилитрон. У него высокая проводимость достигается при определенном уровне напряжения.

Как только необходимый уровень напряжения возникает в стабилитроне — он открывается и по нему проходит ток. Если уровень тока падает — стабилитрон закрывается, и поток электронов отсекается.

Основное применение — устройства для стабилизации сетевого напряжения.

Туннельные

Опять с применением разного типа присадок получается достаточно узкий p-n переход, который может пропускать подаваемый ток в разных направлениях. Это его отличительное свойство.

Такие детали могут применяться как:

  1. В высокоскоростных переключателях.
  2. В радиоэлектронных переключателях в сфере повышенных частот 31–101 ГГЦ.
  3. В устройствах, отвечающих за прием и усиление электромагнитных колебаний.

Изображение туннельника в схемах:

Варикапы

Следующая разновидность — это варикапы. Их основное отличие — переменная ёмкость. Барьерная ёмкость конкретно таких радиодеталей находится в зависимости от обратного напряжения.

Применяются в приборах, управляющие частотой генераторов.

Обозначение на схемах:

Светодиоды

Нам светодиоды знакомы как СИД или LED.

Эти диоды, при подаче на электроды прямого напряжения, излучают холодный свет в разных спектрах. Сегодня LED-освещение активно вытесняет традиционные источники света.

Фотодиод

Проводимость таких радиодеталей напрямую зависит от попадающего на них светового потока.

Протекающий ток пропорционален уровню освещения.

На этом его свойстве основаны различного типа датчики и устройства, применяемые как производственных помещениях, так и для бытовых нужд.

Если в ходе эксплуатации с применением диодов различного типа возникают такие неисправности как:

  • превышен максимально допустимый уровень тока;
  • деталь низкого качества или с заводским браком;
  • повысился уровень обратного напряжения.

То деталь нуждается в диагностике.

Для этой цели есть специальный прибор — мультиметр.

Мультиметр

Неисправность диодов мультиметром найти проще и легче определить причину поломки вашего прибора.

Также он поможет замерить:

  • силу тока;
  • перепады в напряжении;
  • ёмкость конденсаторов;
  • найти обрыв цепи и так далее.

Современные мультиметры в состоянии работать с различными видами токов:

  • переменный;
  • постоянный.

Самые популярные на современном рынке — цифровые устройства.

Но еще встречаются в продаже и приборы аналогового типа.

И те и другие часто применяются в домашних условиях.

Но цифровые точнее (с погрешностью измерений в 0.5 %) и ими проще выполняется прозвонка.

Аналоговые мультиметры обладают более высокой надежностью и низкой стоимостью. Но менее точны — погрешность 1.5–2 %.

Как проводится проверка

Проверка диодов на исправность заключается в том, чтобы проверить их одностороннюю способность проводить электрический ток.

Если это условие выполнимо, то элемент считается работоспособным.

С помощью мультиметра можно прозвонить диод и проверить на плате, как обычный диод, так и Шотки.

Как это сделать:

Проверяем, что у прибора есть режим прозвонки радиодетали такого типа.

Если такой возможности нет, действуем по следующей схеме:

  1. Переводим указатель в режим измерения постоянного напряжения. Если элемент исправен, прибор покажет наличие напряжения на диоде. Исправные элементы, в зависимости от их номинала, будут показывать значения от 0.3 до 1.0 вольт.
  2. Если перевести указатель на измерение сопротивления (в диапазоне до 2 кОм), то при подключении к выводам этой радиодетали, красный провод зажимаем к аноду, а черный к катоду, должно появится на экране значение в с сотнях Ом.

Проверка стабилитрона

Для того чтобы проверить стабилитрон рекомендуется воспользоваться следующей схемой:

После сборки схемы, переводим мультиметр в режим измерения постоянного напряжения 200 В, включаем регулируемый блок питания и постепенно начинаем увеличивать напряжение, пока на блоке питания амперметр не укажет на протекающий ток. После этого подключаем мультиметр и измеряем напряжение стабилизации.

Проверка диодного моста

Собственно говоря, диодный мост можно проверить точно так же как и стандартный диод. Главное знать, как правильно выполняется проверка диода мультиметром.

Диодный мост проверяется по определенной схеме.

Пронумеруем для себя выводы выпрямителя 1, 2, 3, 4. То есть нам надо будет проверить четыре элемента.

И начинаем перезванивать в следующей последовательности:

  • 1-й: выводы 1–2;
  • 2-й: выводы 2–3;
  • 3-й: выводы 1–4;
  • 4-й: выводы 4–3;

А отсчёт показаний проводится таким же способом, как мы проверяем обычный диод.

Здесь вы можете более подробно узнать о том, как проверить диодный мост мультиметром.

Проверяем микроволновку

Как бы мы не старались четко выполнять условия эксплуатации, СВЧ — печь иногда ломается, а наиболее частые причины это:

  • перегорел высоковольтный предохранитель;
  • вышел из строя высоковольтный конденсатор;
  • сгорел высоковольтный диод.

Конечно, можно отнести микроволновку в мастерскую, но при желании ремонт возможен и своими руками.

Одной из причин выхода из строя микроволновки является поломка диода,

рассчитанного на рабочее напряжение до 12000 вольт.

Он установлен в печке рядом с конденсатором:

Диод подключается выводом из анода к одному из контактов кондёра.

А другой конец прикручен на массу.

Важно! Перед началом проверки диодов, необходимо обязательно разрядить высоковольтный конденсатор в микроволновке.

Емкость его небольшая в 1 мкф, но он рассчитан на напряжение до 2100 вольт. Как раз такое напряжение развивает трансформатор в микроволновой печи. И даже после выключения в нем остается достаточно приличный заряд опасный для жизни.

Одни мастера говорят, что достаточно какое-то время подождать после отключения аппарата от сети.

Но лучше перестраховаться.

Поэтому необходимо отверткой замкнуть контакты конденсатора между собой. А затем каждый вывод поочередно замкнуть на массу.

Только после того как мы проделаем эту процедуру несколько раз, можно приступать к проверяемым манипуляциям.

Но нужна предварительная подготовка.

Дело в том, что этот диод невозможно проверить просто так, без подготовки, обычным тестером.

Если подвести к его выводам щупы тестера, то на мультиметре будет показано что этот элемент якобы нерабочий.

Для того чтобы его прозвонить, на один из его выводов необходимо подать напряжение. Тогда он открывается и начинает работать как обычный диод.

Итак, начинаем проверять диод микроволновки.

  1. Переводим тестер в режим измерения  постоянного напряжения в положение 20 вольт.
  2. Нужен будет дополнительный источник питания. Подойдет обычная батарейка «Крона». Напряжение на ней обычно составляет 9.5 вольт.

  3. Теперь можно измерить.
  4. Берем наш диод и подключаем его к тестеру через батарейку.
  5. На экране мультиметра появится значение напряжения в 5.9 вольт.
  6. Если поменять полярность и снова проверить напряжение и снова провести замеры, то на экране мы увидим значение «ноль».

О том, что деталь неисправна, можно судить по результатам замеров. Когда при измерении в прямом и обратном направлении будет отсутствие показателей в обоих направлениях, можно определенно сказать, что проверяемая деталь неисправна и подлежит замене. А проверка на приборе позволила определить его состояние на работоспособность.

После замены этой запчасти на новую, ваша СВЧ печь будет работать как новая!

Эти диоды могут отличаться по номиналу и по форме.

Вот таким образом выполняется проверка диода из микроволновки.

Небольшие советы

Есть нехитрые правила, которые просты и понятны даже непрофессиональным мастерам:

  1. Определяем тип полупроводника.
  2. Лучше если у вас дома окажется цифровой тестер. На нем проще анализировать результаты измерений. И новейшая модель тестеров измеряет несколько параметров.
  3. Щупы подносим правильно к соответствующим электродам.
  4. Вывод об исправности диода делается по результатам двух замеров — в прямом и обратном направлении.
  5. Полупроводник можно прозванивать, не выпаивая его из платы.
  6. Выполняйте правильно все подключения и верно анализируйте результаты измерений.

Заключение

Теперь вы знаете, почему СВЧ — печь не работает и как определить несправный полупроводник. Эта статья может помочь в поиске несправной детали и решить проблему с ремонтом с минимальными затратами. Конечно, можно обратиться в сервисный центр, но иногда решить проблему при наличии необходимых навыках вполне по силам самостоятельно.

Видео по теме

ТЭГИ 2

ТЭГИ 2

ТЕГИ  2

диоды цена

диод 1n4001

туннельный диод

диоды шотки

купить диоды

стабилитрон

диодный мост

диоды купить

диод 1n4148

высокочастотные диоды

купить диод

диоды маркировка

вакуумный диод

импульсный диод

диод купить

диоды импортные

диод ганна

импульсные диоды

диоды выпрямительные

диод маркировка

мощные диоды

диод д226

выпрямительные диоды

диод шотки

полупроводниковый диод ганна

выпрямительный диод

высоковольтные диоды

диод 1n4007

полупроводниковые диоды

полупроводниковый диод

диоды

диод

д132-80

терморегулятор на симисторе

параметры симисторов

lbjls

работа тиристора

управление симистором схема

регулятор напряжения симисторе

схемы на симисторах

справочник по симисторам

регулятор на симисторе

силовые модули

управление симисторами

симисторный регулятор

схема управления симистором

схемы управления симисторами

управление симистором

тиристор

схемы на тиристорах

блок управления тиристорами

схемы управления тиристорами

управление тиристорами

nbhbcnjh

справочник по тиристорам

схема управления тиристором

управление тиристором

тиристор

тиристор т161

тиристор тл

тиристор т-50

тиристор т142

тиристор т253

тиристор ку221

тиристор лавинный

тиристор т142-80

тиристор т143-500

тиристор вт151

тиристор силовой

тиристор проверка

тиристор оптронный

тиристор тб

тиристор ку112

тиристор т10-25

тиристор вт 151

тиристор вместо реле

управляемый тиристор

тиристор т50

тиристор т-25

тиристор ку101

тиристор bt151

тиристор фото

тиристор вместо диода

оптронный тиристор

тиристор ку202н цоколевка

т160 тиристор

тиристор т122

проверить тиристор

тиристор т143

тиристор справочник

тиристор википедия

купить тиристор

тиристор т122-25

силовой тиристор

тиристор ку 202

тиристор т-160

тиристор купить

тиристор характеристики

тиристор е122-25-3

триодный тиристор

тиристор т25

тиристор схема включения

запираемый тиристор

тиристор т160

тиристор схема

тиристор принцип работы

как проверить тиристор

тиристор ку202

тиристор ку202н

тиристоры

куплю силовые тиристоры

тиристоры параметры

тиристоры тб

оптронные тиристоры

тиристоры т160

тиристоры каталог

высоковольтные тиристоры

силовые тиристоры справочник

тиристоры реферат

высокочастотные тиристоры

купить тиристоры

тиристоры принцип работы

тиристоры ку202

тиристоры оптронные

зарубежные тиристоры

тиристоры характеристики

справочник тиристоры

импортные тиристоры

импортные тиристоры справочник

тиристоры купить

куплю тиристоры

тиристоры и симисторы

тиристоры импортные

мощные тиристоры

запираемые тиристоры

тиристоры силовые

силовые тиристоры

тиристоры справочник

тиристоры

тиристора

проверка тиристора тестером

схема проверки тиристора

параметры тиристора

включение тиристора

обозначение тиристора

устройство тиристора

схема тиристора

принцип действия тиристора

работа тиристора

схема включения тиристора

вах тиристора

проверка тиристора

принцип работы тиристора

тиристоров

схема для проверки тиристоров

аналоги тиристоров

схема проверки тиристоров

проверка мощных тиристоров

схемы включения тиристоров

обозначение тиристоров

прибор для проверки тиристоров

цоколевка тиристоров

характеристики тиристоров

применение тиристоров

параметры тиристоров

проверка тиристоров

справочник тиристоров

каталог тиристоров

маркировка тиристоров

симистор

управление на симистор

симистор z0607

симистор купить

симистор ку208

симистор тс106-10

симистор bt139

симистор вт 136

симистор ку208г

симистор схема включения

купить симистор

симистор тс

симистор вместо реле

симистор тс 160

симистор проверка

симистор это

проверить симистор

симистор принцип работы

как проверить симистор

симистор

т161

тиристор т161-160 цена

т161-200

т161-160 параметры

тиристор т161

т161-160

тиристор т161-160

диоды

диоды киев

диоды быстрые

продам диоды

диоды полупроводниковые

диоды большой мощности

диоды в авто

диоды параметры

диоды 1n4148

диоды на авто

где купить диоды

диоды кд

диоды д226

диоды автомобильные

тунельные диоды

ультрабыстрые диоды

автомобильные диоды

диоды отечественные

диоды в фары

диоды лавинные

авто диоды

точечные диоды

смд диоды

смесительные диоды

обращенные диоды

сварочные диоды

сверхяркие диоды

чип диоды

диоды каталог

led диоды

диоды для сварки

быстродействующие диоды

ограничительные диоды

полупроводниковые диоды реферат

диоды мощные

светоизлучающие диоды

ик диоды

диоды ганна

диоды в габариты

отечественные диоды

диоды для авто

быстрые диоды

детекторные диоды

свето диоды

туннельные диоды

кремниевые диоды

лавинные диоды

диоды высоковольтные

tvs диоды

мощные выпрямительные диоды

импортные диоды

куплю диоды

свч диоды

германиевые диоды

силовые диоды каталог

зарубежные диоды

куплю диоды силовые

куплю силовые диоды

диоды силовые

диоды в200

диоды в-200

силовые диоды справочник

справочник диоды

силовые диоды

диод

диод д214

диод fr307

4007 диод

диод д232

диод д242а

диод д310

диод д237

диод in4004

диод в-50

диод 1а

диод 2д212а

диод д305

диод д247

фото диод

диод 2д213а

диод кд

диод s4

диод ss14

диод вд 200

ограничительный диод

диод 1n4002

диод высоковольтный

диод д237б

диод кд521а

1n4007 диод

диод in5822

диод кд202р

диод д7ж

диод д311

светоизлучающий диод

д18 диод

д245 диод

диод полупроводниковый

диод в-25

диод в10

исправный диод

диод кд213

диод фото

n4007 диод

свч диод

диод д20

мощный диод

диод шотке

диод кд521

диод д223

диод схема

диод кд213а

диод вах

диод in5408

диод д231

диод катод

диод в50

диод кд105

диод в-200

диод д243

диод кд202

диод д245

лавинно пролетный диод

диод n4007

электровакуумный диод

диод 4148

диод 10а

диод анод катод

диод fr207

ламповый диод

pin диод

тунельный диод

идеальный диод

диод д226б

диод выпрямительный

защитный диод

диод кд226

диод д18

диод д220

диод 4007

высоковольтный диод

диод 1n4004

точечный диод

диод кд522

диод принцип работы

диод 1n5408

диод википедия

tvs диод

диод д9

диод вики

диод д242

кремниевый диод

лавинный диод

обращенный диод

диод гп

диод обозначение

диод это

германиевый диод

диод цена

диод зенера

диод в200

диод in4007

диод вл-10

купить диод

диод купить

диод силовой

диод дл161-200

диод д161-250

диод д161

тиристорный диод

диод дл

управляемый диод

диод справочник

силовой диод

симисторы

симисторы купить

симисторы каталог

симисторы силовые

симисторы мощные

силовые симисторы

симисторы bta

импортные симисторы

симисторы отечественные

симисторы импортные справочник

тиристоры и симисторы

мощные симисторы

симисторы импортные

симисторы справочник

симисторы

симистора

аналог симистора

схема подключения симистора

работа симистора

симистора

подключение симистора

включение симистора

вах симистора

принцип работы симистора

схема включения симистора

проверка симистора

д161

д161

диод д161-250

диод д161

диод д161-200

д161-200

д161-250

д161-320

диодов

маркировки диодов

разновидность диодов

марки диодов

производители диодов

справочник импортных диодов

параметры импортных диодов

маркировка лазерных диодов

разновидности диодов

характеристика диодов

диодов

последовательное соединение диодов

параллельное соединение диодов

таблица диодов

применение диодов

проверка диодов

корпуса диодов

аналоги диодов

обозначения диодов

цветовая маркировка диодов

классификация диодов

типы диодов

обозначение диодов

каталог диодов

характеристики диодов

параметры диодов

виды диодов

справочник диодов

маркировка диодов

справочник

диоды справочник скачать

справочник по силовым диодам

справочник по силовым тиристорам

импортные диоды справочник

диоды импортные справочник

диод справочник

справочник диоды

справочник по диодам

диоды справочник

диода

аналог диода 1n4148

подключение диода

аналог диода 1n4007

катод диода

анод диода

проверка диода

работа диода

вах полупроводникового диода

пробой диода

характеристики диода

вид диода

характеристика диода

эквивалентная схема диода

ток насыщения диода

обратный ток диода

принцип действия диода

параметры диода

маркировка диода

схема диода

устройство диода

дифференциальное сопротивление диода

сопротивление диода

полярность диода

диода

обозначение диода

принцип работы диода

вах диода

шоттки

шоттки диод

диод шоттки википедия

импортные диоды шоттки

мощные диоды шоттки

диоды шоттки справочник

диоды шоттки

диод шоттки

силовые

силовые симисторы

силовые диоды каталог

симисторы силовые

куплю диоды силовые

куплю силовые диоды

силовые модули

силовые диоды справочник

диоды силовые

силовые диоды

Smd

smd diode

диоды smd

диод smd

smd диод

smd диоды

характеристики

диод д242 характеристики

диод в200 характеристики

диод д226 характеристики

диод характеристики

диод д226б характеристики

диоды характеристики

Предназначены диоды. Полупроводниковый диод

Что не представляем своей жизни без них. Эти жужжащие ящики на наших столах собраны из множества различных «железок». Интересно отметить, что ни один из этих составных «кирпичиков» сам по себе не может похвастаться теми свойствами, которыми обладает компьютер.

А собранные вместе, они являют собой нечто совершенно уникальное!

Какой кирпич не возьми – это только кусок обожженной глины; не сразу и понятно, к какому делу его – самого по себе — можно приспособить.

Это как дом, построенный из кирпичей.

Но несколько тысяч собранных определенным образом таких кусков глины — это жилище, которое защищает от непогоды и предоставляет крышу над головой.

Разумеется, можно пользоваться компьютером (и жить в доме) и не представлять себе, как эти штуки устроены.

Но если вы хотите научиться «лечить» ваши компьютеры, то придется разбираться, как устроены их составные части.

Поэтому сегодня мы поговорим об одном из компьютерных «кирпичиков» чуть более подробно. Мы попытаемся кратко познакомиться с тем, что такое полупроводниковые диоды и зачем они нужны.

Что такое диод?

Диоды применяются в компьютерных для выпрямления переменного тока.

Выпрямительный диод – это деталь, имеющая в своем составе соединенные вместе полупроводники двух типов – p-типа (positive – положительный) и n–типа (negative – отрицательный).

При их соединении (сплавлении) образуется так называемый p-n переход. Этот переход обладает разным сопротивлением при различной полярности приложенного напряжения.

Если напряжение приложено в прямом направлении (положительная клемма источника напряжения подключена к p-полупроводнику — аноду, а отрицательная – к n-полупроводнику — катоду), то сопротивление диода невелико.

В этом случае говорят, что диод открыт. Если полярность подключения изменить на противоположную, то сопротивление диода будет очень большим. В таком случае говорят, что диод закрыт (заперт).

Когда диод открыт, то на нем падает какое-то напряжение.

Это падение напряжения создается протекающим через диод так называемым прямым током и зависит от величины этого тока.

Причем зависимость эта нелинейная .

Конкретное значение падения напряжения в зависимости от протекающего тока можно определить по вольт-амперной характеристике.

Эта характеристика обязательно приводится в полном техническом описании (data sheets, справочных листах).

Например, на распространенном диоде 1N5408, применяемом в компьютерном блоке питания, при изменении тока от 0,2 до 3 А падение напряжения изменяется от 0,6 до 0,9 В. Чем больше протекающий через диод ток, тем больше падение напряжения на нем и, соответственно, рассеиваемая на нем мощность (P = U * I). Чем большая мощность рассеивается на диоде, тем сильнее он греется.

В компьютерном при выпрямлении сетевого напряжения применяется обычно мостовая схема выпрямления – 4 диода, включенные определенным образом.

Если клемма 1 имеет положительный относительно клеммы 2 потенциал, то ток пойдет через диод VD1, нагрузку и диод VD3.

Если клемма 1 имеет отрицательный клеммы 2 потенциал, то ток потечет через диод VD2, нагрузку и диод VD4. Таким образом, ток через нагрузку хоть и меняется по величине (при переменном напряжении), но протекает всегда в одном направлении – от клеммы 3 к клемме 4.

В этом и заключается эффект выпрямления. Если бы не было диодного моста – ток по нагрузке протекал бы в разных направлениях. С мостом же он протекает в одном. Такой ток называется пульсирующим.

В курсе высшей математики доказывается, что пульсирующее напряжение содержит в себе постоянную составляющую и сумму гармоник (частот, кратных основной частоте переменного напряжения 50 Герц). Постоянная составляющая выделяется фильтром (конденсатором большой емкости), который не пропускает гармоники.

Выпрямительные диоды присутствуют и в низковольтной части блока питания. Только схема включения состоит там не из 4-х диодов, а из двух.

Внимательный читатель может спросить: «А почему это используются разные схемы включения? Нельзя ли применить диодный мост и в низковольтной части?»

Можно, но это будет не лучшее решение. В случае диодного моста ток проходит через нагрузку и два последовательно включенных диода.

В случае использования диодов 1N5408 общее падение напряжения на них может составить величину 1,8 В. Это очень немного по сравнению с сетевым напряжением 220 В.

А вот если такая схема будет применена в низковольтной части, то это падение будет весьма заметным по сравнению с напряжениями +3,3, +5 и +12 В. Применение схемы из двух диодов уменьшает потери вдвое, так как последовательно с нагрузкой включен один диод, а не два.

К тому же, ток во вторичных цепях блока питания гораздо больше (в разы), чем в первичной.

Следует отметить, для этой схемы трансформатор должен иметь две одинаковые обмотки, а не одну. Схема выпрямления из двух диодов использует оба полупериода переменного напряжения, также как и мостовая.

Если потенциал верхнего конца вторичной обмотки трансформатора (см схему) положителен по отношению к нижнему, то ток протекает через клемму 1, диод VD1, клемму 3, нагрузку, клемму 4 и среднюю точку обмотки. Диод VD2 в это время заперт.

Если потенциал нижнего конца вторичной обмотки положителен по отношению к верхнему, то ток протекает через клемму 2, диод VD2, клемму 3, нагрузку, клемму 4 и среднюю точку обмотки. Диод VD1 в это время заперт. Получается тот же пульсирующий ток, что и при мостовой схеме.

Теперь давайте покончим со скучной теорией и перейдем к самому интересному – к практике.

Для начала скажем, что перед началом проверки диодов, хорошо бы ознакомиться с тем, как работать с цифровым тестером.

Об этом рассказывается в соответствующих статьях , и .

Диод на электрических схемах изображается символически в виде треугольника (стрелочки) и палочки.

Палочка – это катод, стрелочка (она указывает направление тока, т.е. движения положительных зарядов) – анод.

Проверить диодный мост можно цифровым тестером, установив переключатель работы в положении проверки диодов (указатель переключателя диапазонов тестера должен стоять напротив символического изображения диода).

Если присоединить красный щуп тестера к аноду, а черный — к катоду отдельного диода, то диод будет открыт напряжением с тестера.

Дисплей покажет величину 0,5 – 0,6 В.

Если изменить полярность щупов, диод будет заперт.

Дисплей при этом покажет единицу в крайнем левом разряде.

Диодный мост часто имеет символическое обозначение вида напряжения на корпусе (~ переменное напряжение, +, — постоянное напряжение).

Диодный мост можно проверить, установив один щуп на одну из клемм «~», а второй – поочередно на выводы «+» и «-».

При этом один диод будет открыт, а другой закрыт.

Если поменять полярность щупов – то тот диод, который был закрыт, теперь откроется, а другой закроется.

Следует обратить внимание на то, что катод – это плюсовой вывод моста.

Если какой-то из диодов закорочен, тестер покажет нулевое (или очень небольшое напряжение).

Такой мост, естественно, непригоден для работы.

В закоротке диода можно убедиться, если тестировать диоды в режиме измерения сопротивления.

При закороченном диоде тестер покажет небольшое сопротивление в обоих направлениях.

Как уже говорилось, во вторичных цепях используется схема выпрямления из двух диодов.

Но даже на одном диоде падает достаточно большое напряжение по сравнению с выходными напряжениями +12 В, +5 В, +3,3 В.

Токи потребления могут достигать 20 А и более, и на диодах будет рассеиваться большая мощность.

Вследствие этого они будут сильно греться.

Мощность рассеяния уменьшится, если будет меньшим прямое напряжение на диоде.

Поэтому в таких случаях применяют так называемые диоды Шоттки, у которых прямое падение напряжения меньше .

Диоды Шоттки

Диод Шоттки состоит не из двух различных полупроводников, а из металла и полупроводника.

Получающийся при этом так называемый потенциальный барьер будет меньше.

В компьютерных блоках питания применяют сдвоенные диоды Шоттки в трехвыводном корпусе.

Типичным представителем такой сборки является SBL2040. Падение напряжения на каждом из ее диодов при максимальном токе не превысит (по даташиту) 0,55 В. Если проверить ее тестером (в режиме проверки диодов), то он покажет величину около 0,17 В.

Меньшая величина напряжения обусловлена тем, что через диод протекает очень небольшой ток, далекий от максимального.

В заключение скажем, что у диода есть такой параметр, как предельно допустимое обратное напряжение. Если диод заперт – к нему приложено обратное напряжение. При замене диодов надо учитывать эту величину.

Если в реальной схеме обратное напряжение превысит предельно допустимое – диод выйдет из строя!

Диод – важная «железка» в электронике. Чем бы еще мы выпрямляли напряжение?

Купить диоды для экспериментов можно

До встречи на блоге!

Диод — это элемент, имеющий различную проводимость. Такое его свойство имеет применение в различных электротехнических и радиоэлектронных схемах. На его основе создаются устройства, имеющие применение в различных областях.

Типы диодов: электровакуумные и полупроводниковые . Последний тип в настоящее время применяется в подавляющем большинстве случаев. Никогда не будет лишним знать о том, как работает диод, для чего он нужен, как обозначается на схеме, какие существуют типы диодов, применение диодов разных видов.

Электровакуумные диоды

Приборы этого типа выполнены в виде электронных ламп. Лампа выглядит как стеклянный баллон, внутрь которого помещены два электрода. Один из них анод, другой катод. Они находятся в вакууме. Конструктивно анод выполнен в виде тонкостенного цилиндра. Внутри расположен катод. Он имеет обычно цилиндрическую форму. Изолированная нить накала проложена внутри катода. Все элементы имеют выводы, которые соединены со штырьками (ножками) лампы. Ножки лампы выведены наружу.

Принцип работы

При прохождении электрического тока по спирали она нагревается и разогревает катод, внутри которого находится. С поверхности разогретого катода электроны, покинувшие его, без дополнительного ускоряющего поля накапливаются в непосредственной близости от него. Часть из них затем обратно возвращается на катод.

При подаче на анод положительного напряжения электроны, испускаемые катодом, устремляются к нему, создавая анодный ток электронов.

Катод обладает пределом эмиссии электронов. При достижении этого предела анодный ток стабилизируется. Если на анод подать небольшое отрицательное напряжение по отношению к катоду, то электроны прекратят своё движение.

Материал катода, из которого он изготовлен, обладает высокой степенью эмиссии.

Вольт- амперная характеристика (ВАХ)

ВАХ диодов этого типа графически показывает зависимость тока анода от прямого напряжения, приложенного к выводам катода и анода. Она состоит из трёх участков:

  • Медленное нелинейное нарастание тока;
  • Рабочая часть характеристики;
  • Область насыщения тока анода.

Нелинейный участок начинается после области отсечки анодного тока. Его нелинейность связана с небольшим положительным потенциалом катода, который покинули электроны при его разогреве нитью накала.

Активный участок определяет из себя почти вертикальную линию. Он характеризует зависимость анодного тока от возрастающего напряжения.

Участок насыщения представляет собой линию постоянного значения тока анода при увеличивающемся напряжении между электродами лампы. Электронную лампу на этом участке можно сравнить с проводником электрического тока. Эмиссия катода достигла своего наивысшего значения.

Полупроводниковые диоды

Свойство p — n перехода пропускать электрический ток одного направления нашло применение при создании приборов этого типа. Прямое включение — это подача на n -область перехода отрицательного потенциала, по отношению к p -области, потенциал которой положительный. При таком включении прибор находится в открытом состоянии. При изменении полярности приложенного напряжения он окажется в запертом состоянии, и ток сквозь него не проходит.

Классификацию диодов можно вести по их назначению, по особенностям изготовления, по типу материала, используемого при его изготовлении.

В основном для изготовления полупроводниковых приборов используются пластины кремния или германия, которые имеют электропроводность n -типа. В них присутствует избыток отрицательно заряженных электронов.

Применяя разные технологии изготовления, можно на выходе получить точечные или пластинчатые диоды.

При изготовлении точечных приборов к пластинке n -типа приваривают заострённый проводник (иглу). На его поверхность нанесена определённая примесь. Для германиевых пластин игла содержит индий, для кремниевых пластин игла покрыта алюминием. В обоих случаях создаётся область p — n перехода. Её форма напоминает полусферу (точку).

Для плоскостных приборов применяют метод диффузии или сплавления. Площадь переходов, получаемых таким методом, варьируется в широких пределах. От её величины зависит в дальнейшем назначение изделия. К областям p — n перехода припаивают проволочки, которые в виде выводов из корпуса готового изделия используют при монтаже различных электрических схем.

На схемах полупроводниковые диоды обозначаются в виде равностороннего треугольника, к верхнему углу которого присоединена вертикальная черта, параллельная его основанию. Вывод черты называется катодом, а вывод основания треугольника анодом.

Прямым называется такое включение, при котором положительный полюс источника питания соединён с анодом. При обратном включении «плюс» источника подключается к катоду.

Вольт- амперная характеристика

ВАХ определяет зависимость тока, протекающего через полупроводниковый элемент, от величины и полярности напряжения, которое приложено к его выводам.

В области прямых напряжений выделяют три области: небольшого прямого тока и прямого рабочего тока через диод. Переход из одной области в другую происходит при достижении прямым напряжением порога проводимости. Эта величина составляет порядка 0,3 вольт для германиевых диодов и 0,7 вольт для диодов на основе кремния.

При приложении к выводам диода обратного напряжения ток через него имеет очень незначительную величину и называется обратным током или током утечки. Такая зависимость наблюдается до определённого значения величины обратного напряжения. Оно называется напряжением пробоя. При его превышении обратный ток нарастает лавинообразно.

Предельные значения параметров

Для полупроводниковых диодов существуют величины их параметров, которые нельзя превышать. К ним относятся:

  • Максимальный прямой ток;
  • Максимальное обратное напряжение пробоя;
  • Максимальная мощность рассеивания.

Полупроводниковый элемент может выдержать прямой ток через него ограниченной величины. При его превышении происходит перегревание p-n перехода и выход его из строя. Наибольший запас по этому параметру имеют плоскостные силовые приборы. Величина прямого тока через них может достигать десятков ампер.

Превышение максимального значения напряжения пробоя может превратить диод, имеющий однонаправленные свойства, в обычный проводник электрического тока. Пробой может иметь необратимый характер и варьируется в широких пределах, в зависимости от конкретного используемого прибора.

Мощность — это величина, напрямую зависящая от тока и напряжения, которое приложено при этом к выводам диода. Как и превышение максимального прямого тока, превышение предельной мощности рассеивания приводит к необратимым последствиям. Диод просто выгорает и перестаёт выполнять своё предназначение. Для предотвращения такой ситуации силовые приборы устанавливают приборы на радиаторы, которые отводят (рассеивают) избыток тепла в окружающую среду.

Виды полупроводниковых диодов

Свойство диода пропускать ток в прямом направлении и не пропускать его в обратном нашло применение в электротехнике и радиотехнике. Разработаны и специальные виды диодов для выполнения узкого круга задач.

Выпрямители и их свойства

Их применение основано на выпрямительных свойствах этих приборов. Их используют для получения постоянного напряжения путём выпрямления входного переменного сигнала.

Одиночный выпрямительный диод позволяет получить на его выходе пульсирующее напряжение положительной полярности. Используя их комбинацию, можно получить форму выходного напряжения, напоминающую волну. При использовании в схемах выпрямителей дополнительных элементов, таких как электролитические конденсаторы большой емкости и катушки индуктивности с электромагнитными сердечниками (дроссели), на выходе устройства можно получить постоянное напряжение, напоминающее напряжение гальванической батареи, столь необходимое для работы большинства аппаратуры потребителя.

Полупроводниковые стабилитроны

Эти диоды имеют ВАХ с обратной ветвью большой крутизны. То есть, приложив к выводам стабилитрона напряжение, полярность которого обратная, можно с помощью ограничительных резисторов ввести его в режим управляемого лавин пробоя. Напряжение в точке лавинного пробоя имеет постоянное значение при значительном изменении тока через стабилитрон, величину которого ограничивают в зависимости от применённого в схеме прибора. Так получают эффект стабилизации выходного напряжения на нужном уровне.

Технологическими операциями при изготовлении стабилитронов добиваются различных величин напряжения пробоя (напряжения стабилизации). Диапазон этих напряжений (3−15) вольт. Конкретное значение зависит от выбранного прибора из большого семейства стабилитронов.

Принцип работы детекторов

Для детектирования высокочастотных сигналов применяют диоды, изготовленные по точечной технологии. Задача детектора состоит в том, чтобы ограничить одну половину модулированного сигнала. Это позволяет в последующем с помощью высокочастотного фильтра оставить на выходе устройства только модулирующий сигнал. Он содержит звуковую информацию низкой частоты. Этот метод используется в радиоприёмных устройствах, принимающих сигнал, модулированный по амплитуде.

Особенности светодиодов

Эти диоды характеризуются тем, что при протекании через них тока прямого направления кристалл испускает поток фотонов, которые являются источником света. В зависимости от типа кристалла, применённого в светодиоде, спектр света может находиться как в видимом человеческим глазом диапазоне, так и в невидимом. Невидимый свет — это инфракрасное или ультрафиолетовое излучение.

При выборе этих элементов необходимо представлять цель, которую необходимо достигнуть. К основным характеристикам светодиодов относятся:

  • Потребляемая мощность;
  • Номинальное напряжение;
  • Ток потребления.

Ток потребления светодиода, применяемого для индикации в устройствах широкого применения, не более 20 мА. При таком токе свечение светодиода является оптимальным. Начало свечения начинается при токе, превышающем 3 мА.

Номинальное напряжение определяется внутренним сопротивлением перехода, которое является величиной непостоянной. При увеличении тока через светодиод сопротивление постепенно уменьшается. Напряжение источника питания, используемое для питания светодиода, необходимо применять не меньше напряжения, указанного в паспорте на него.

Потребляемая мощность — это величина, зависящая от тока потребления и номинального напряжения. Она увеличивается при увеличении величин, её определяющих. Следует учесть, что мощные световые диоды могут иметь в своём составе 2 и даже 4 кристалла.

Перед другими осветительными приборами светодиоды имеют неоспоримые преимущества. Их можно перечислять долго. Основными из них являются:

  • Высокая экономичность;
  • Большая долговечность;
  • Высокий уровень безопасности из-за низких питающих напряжений.

К недостатку их эксплуатации относится необходимость наличия дополнительного стабилизированного источника питания постоянного тока, а это увеличивает стоимость .

Что такое диод? Это элемент, получивший различную проводимость. Она зависит от того, как именно течет электрический ток. Применение устройства зависит от цепи, которой нужно ограничение следования данного элемента. В этой статье мы расскажем об устройстве диода, а также о том, какие виды существуют. Рассмотрим схему и то, где применяются эти элементы.

История появления

Так вышло, что работать над созданием диодов стало сразу два ученых: британец и немец. Следует заметить, что их открытия немного отличались. Первый основал изобретение на ламповых триодах, а второй — на твердотельных.

К сожалению, в то время наука не смогла сделать прорыв в этой сфере, однако для размышлений было дано очень много поводов.

Через несколько лет снова были открыты диоды (формально). Томас Эдисон запатентовал это изобретение. К сожалению, во всех своих работах при жизни это ему не пригодилось. Поэтому подобную технологию развивали другие ученые в разные годы. До начала XX века эти изобретения были названы выпрямителями. И только спустя время Вильям Иклз использовал два слова: di и odos. Первое слово переводится как два, а второе — путь. Язык, на котором было дано название, является греческим. И если переводить выражение полностью, то «диод» означает «два пути».

Принцип работы и основные сведения о диодах

Диод в своем строении имеет электроды. Речь идет об аноде и катоде. Если первый имеет положительный потенциал, то диод называется открытым. Таким образом, сопротивление становится маленьким, а ток проходит. Если же потенциал положительный имеется у катода, то диод не раскрыт. Он не пропускает электрический ток и имеет большой показатель сопротивления.

Как устроен диод

В принципе, что такое диод, мы разобрались. Теперь нужно понять, как он устроен.

Корпус зачастую изготавливается из стекла, металла или же керамики. Чаще всего вместо последней используются определенные соединения. Под корпусом можно заметить два электрода. Наиболее простой будет иметь нить небольшого диаметра.

Внутри катода располагается проволока. Она считается подогревателем, так как имеет в своих функциях подогрев, который совершается по законам физики. Нагревается диод за счет работы электрического тока.

При изготовлении также используется кремний или германий. Одна сторона прибора имеет нехватку электродов, вторая — их переизбыток. За счет этого создаются специальные границы, которые обеспечивает переход типа p-n. Благодаря ему ток проводится в том направлении, в котором это необходимо.

Характеристики диодов

Диод на схеме уже показан, теперь следует узнать, на что нужно обращать внимание при покупке устройства.

Как правило, покупатели ориентируются только по двум нюансам. Речь идет о максимальной силе тока, а также обратном напряжении на максимальных показателях.

Использование диодов в быту

Довольно часто диоды используют в автомобильных генераторах. То, какой диод выбрать, следует решать самому. Нужно заметить, что в машинах используются комплексы из нескольких приборов, которые признаны называться диодным мостом. Нередко подобные устройства встраиваются в телевизоры и в приемники. Если использовать их вместе с конденсаторами, то можно добиться выделения частот и сигналов.

Для того чтобы защитить потребителя от электрического тока, нередко в устройства встраивается комплекс из диодов. Такая система защиты считается довольно действенной. Также нужно сказать, что блок питания чаще всего у любых приборов использует такое устройство. Таким образом, светодиодные диоды сейчас довольно распространены.

Виды диодов

Рассмотрев, что такое диод, необходимо подчеркнуть, какие виды существуют. Как правило, приборы делятся на две группы. Первой считается полупроводниковая, а вторая не полупроводниковой.

На данный момент популярной является первая группа. Название связано с материалами, из которых такое устройство изготовлено: либо из двух полупроводников, либо из обычного металла с полупроводником.

На данный момент разработан ряд особых видов диодов, которые используются в уникальных схемах и приборах.

Диод Зенера, или стабилитрон

Этот вид используется в стабилизации напряжения. Дело в том, что такой диод при возникновении пробоя резко увеличивает ток, при этом точность максимально большая. Соответственно, характеристики диода такого типа довольно удивительны.

Туннельный

Если простыми словами объяснить, что это за диод, то следует сказать, что этот вид создает отрицательный тип сопротивления на вольт-амперных характеристиках. Зачастую такое приспособление используется в генераторах и усилителях.

Обращенный диод

Если говорить о данном типе диодов, то это устройство может изменять напряжение в минимальную сторону, работая в открытом режиме. Это устройство является аналогом диода тоннельного типа. Хоть и работает оно немного по другому признаку, но основано оно именно на вышеописанном эффекте.

Варикап

Данное устройство является полупроводниковым. Оно характеризуется тем, что имеет повышенную емкость, которой можно управлять. Зависит это от показателей обратного напряжения. Нередко такой диод применяется при настройке и калибровке контуров колебательного типа.

Светодиод

Данный тип диода излучает свет, но только в том случае, если ток течет в прямом направлении. Чаще всего именно это устройство используется везде, где следует создать освещение при минимальных затратах электроэнергии.

Фотодиод

Данное устройство имеет полностью обратные характеристики, если говорить о предыдущем описанном варианте. Таким образом, он вырабатывает заряды, только если на него попадает свет.

Маркировка

Нужно заметить, что особенностью всех устройств является то, что на каждом из элементов имеется специальное обозначение. Благодаря им, можно узнать характеристику диода, если он относится к полупроводниковому типу. Корпус состоит из четырех составных частей. Теперь следует рассмотреть маркировку.

На первом месте всегда будет стоять буква или цифра, которая говорит о материале, из которого изготовлен диод. Таким образом, параметры диода будет узнать несложно. Если указана буква Г, К, А или И, то это означает германий, кремний, арсенид галлия и индий. Иногда вместо них могут указываться цифры от 1 до 4 соответственно.

На втором месте будет указываться тип. Он также имеет разные значения и свои характеристики. Могут быть выпрямительные блоки (Ц), варикапы (В), туннельные (И) и стабилитроны (С), выпрямители (Д), сверхвысокочастотные (А).

Предпоследнее место занимает цифра, которая будет указывать на область, в которой применяется диод.

На четвертом месте будет установлено число от 01 до 99. Оно будет указывать на номер разработки. Помимо этого, на корпус производитель может наносить различные обозначения. Однако, как правило, их используют только на устройствах, создаваемых для определенных схем.

Для удобства диоды могут маркироваться графическими изображениями. Речь идет о точках, полосках. Логики в данных рисунках нет никакой. Поэтому для того, чтобы понять, что имел в виду производитель, придется ознакомиться с инструкцией.

Триоды

Этот вид электродов является аналогом диода. Что такое триод? Он немного по комплексу своему похож на описываемые выше устройства, однако имеет другие функции и конструкцию. Основное различие между диодом и триодом будет заключаться в том, что у него есть три вывода, и чаще всего его самого называют транзистором.

Принцип работы рассчитана на то, что, используя небольшой сигнал, будет выводиться ток в цепь. Диоды и транзисторы используются практически в каждом устройстве, которое имеет электронный тип. Речь идет также и о процессорах.

Плюсы и минусы

Лазерный диод, как и любой другой, имеет преимущества и недостатки. Для того чтобы подчеркнуть достоинства данных устройств, необходимо их конкретизировать. Помимо этого, составим и небольшой список минусов.

Из плюсов следует отметить небольшую стоимость диодов, отличный ресурс работы, высокий показатель службы эксплуатации, еще можно использовать данные устройства при работе с переменным током. Также нужно отметить небольшие размеры, которые позволяют размещать устройства на любой схеме.

Что касается минусов, то нужно выделить, что не существует на данный момент устройств полупроводникового типа, которые можно использовать в приборах с высоким напряжением. Именно поэтому придется встраивать старые аналоги. Также нужно заметить, что на диоды очень пагубно сказываются высокая температура. Она сокращает срок эксплуатации.

Первые экземпляры имели совершенно небольшую точность. Именно поэтому характеристики устройств были довольно плохими. Лампы-диоды приходилось распаковывать. Что же это означает? Некоторые устройства могли получать совершенно разные свойства, даже изготовленные в одной партии. После отсева негодных приспособлений элементы проходили маркировку, в которой описывались их реальные характеристики.

Все диоды, которые изготовлены из стекла, получили особенность: они чувствительны к свету. Таким образом, если прибор может открываться, то есть имеет крышку, то вся схема будет работать совершенно по-разному, в зависимости от того, открыто пространство для света или закрыто.

Диод (Diode -eng. ) – электронный прибор, имеющий 2 электрода , основным функциональным свойством которого является низкое сопротивление при передаче тока в одну сторону и высокое при передаче в обратную .

То есть при передаче тока в одну сторону он проходит без проблем , а при передаче в другую , сопротивление многократно увеличивается , не давая току пройти без сильных потерь в мощности. При этом диод довольно сильно нагревается .

Диоды бывают электровакуумные , газоразрядные и самые распространённые – полупроводниковые . Свойства диодов, чаще всего в связках между собой, используются для преобразования переменного тока электросети в постоянный ток, для нужд полупроводниковых и других приборов.

Конструкция диодов .

Конструктивно, полупроводниковый диод состоит из небольшой пластинки полупроводниковых материалов (кремния или германия ), одна сторона (часть пластинки) которой обладает электропроводимостью p-типа , то есть принимающей электроны (содержащей искусственно созданный недостаток электронов дырочная »)), другая обладает электропроводимостью n-типа , то есть отдающей электроны (содержащей избыток электронов электронной »)).

Слой между ними называется p-n переходом . Здесь буквы p и n — первые в латинских словах negative — «отрицательный », и positive — «положительный ». Сторона p-типа , у полупроводникового прибора является анодом (положительным электродом), а область n-типа катодом (отрицательным электродом) диода.

Электровакуумные (ламповые) диоды, представляют собой лампу с двумя электродами внутри, один из которых имеет нить накаливания , таким образом подогревая себя и создавая вокруг себя магнитное поле .


При разогреве , электроны отделяются от одного электрода (катода ) и начинают движение к другому электроду (аноду ), благодаря электрическому магнитному полю . Если направить ток в обратную сторону (изменить полярность), то электроны практически не будут двигаться к катоду из-за отсутствия нити накаливания в аноде . Такие диоды, чаще всего применяются в выпрямителях и стабилизаторах , где присутствует высоковольтная составляющая.

Диоды на основе германия , более чувствительны на открытие при малых токах, поэтому их чаще используют в высокоточной низковольтной технике, чем кремниевые.

Типы диодов:
  • · Смесительный диод — создан для приумножения двух высокочастотных сигналов.
  • · pin диод — содержит область проводимости между легированными областями. Используется в силовой электронике или как фотодетектор .
  • · Лавинный диод — применяется для защиты цепей от перенапряжения . Основан на лавинном пробое обратного участка вольт-амперной характеристики.
  • · Лавинно-пролётный диод — применяется для генерации колебаний в СВЧ -технике. Основан на лавинном умножении носителей заряда.
  • · Магнитодиод . Диод, характеристики сопротивления которого зависят от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода .
  • · Диоды Ганна . Используются для преобразования и генерации частоты в СВЧ диапазоне.
  • · Диод Шоттки . Имеет малое падение напряжения при прямом включении.
  • · Полупроводниковые лазеры .

Применяются в лазеростроении , по принципу работы схожи с диодами, но излучают в когерентном диапазоне .

  • · Фотодиоды . Запертый фотодиод открывается под действием светового излучения . Применяются в датчиках света , движения и т.д.
  • · Солнечный элемент (вариация солнечных батарей ) . При попадании света, происходит движение электронов от катода к аноду, что генерирует электрический ток .
  • · Стабилитроны — используют обратную ветвь характеристики диода с обратимым пробоем для стабилизации напряжения .
  • · Туннельные диоды , использующие квантовомеханические эффекты . Применяются как усилители , преобразователи , генераторы и пр.
  • · (диоды Генри Раунда, LED ). При переходе электронов, у таких диодов происходит излучение в видимом диапазоне света .

Для данных диодов используют прозрачные корпуса для возможности рассеивания света. Также производят диоды, которые могут давать излучение в ультрафиолетовом , инфракрасном и других требуемых диапазонах (в основном, и космической сфере).

  • · Варикапы (диод Джона Джеумма ) Благодаря тому, что закрытый p-n-переход обладает немалой ёмкостью, ёмкость зависит от приложенного обратного напряжения . Применяются в качестве конденсаторов с переменной ёмкостью .

Всего с одним p-n переходом, имеющий два внешних вывода анод и катод. Он используется для выпрямления, детектирования, модуляции, ограничения и различных видов преобразования электрических сигналов. По функциональному назначению диоды классифицируются на выпрямительные, универсальные, СВЧ, стабилитроны, импульсные, варикапы, варисторы, переключающие, туннельные т.д.


Структурно диод можно представить кристаллом полупроводника, состоящим из двух областей. Одна с проводимостью p -типа, а другая – проводимостью n -типа.


Работа диода поясняющая структурная схема

Анод это плюсовой электрод, в нем основными носителями заряда являются дырки.

Катод это минусовой электрод, в нем основными носителями заряда являются электроны.

На внешних поверхностях двух областей имеются контактные металлические слои, к которым припаяны внешние выводы. Такой полупроводниковый прибор может быть только в одном из двух состояний: открыт и закрыт

Если к выводам полупроводникового прибора подсоединить постоянное напряжение: на анод подать плюс» а на вывод катода соответственно «минус», то диод откроется и через него начнет идти ток, величина которого зависит от приложенного напряжения и внутренних свойств диода.

При прямом включении электроны из n области устремятся навстречу дыркам в p-область, а дырки из p в область n. На границе электронно-дырочного перехода, они встретятся, и осуществится их взаимное поглощение или рекомбинация.

Вывод диода, подключенный к минусу, будет посылать в область n огромное количество электронов, пополняя их убывание. А вывод, соединенный с плюсом, помогает восстанавливать концентрация дырок в области p. То есть, проводимость электронно-дырочного перехода увеличится, а сопротивление току резко уменьшится, а значит, через диод потечет ток, называемый прямым током диода Iпр.

Изменим полярность нашего подключения и посмотрим на изменения в работе подключенного полупроводникового прибора.

В этом случае электроны и дырки будут, оттеснятся от p-n перехода, а на границе электронно-дырочного перехода резко возрастает потенциальный барьер или другими словами зона обедненная носителями заряда дырками и электронами, которая будет препятствовать прохождению тока.

Но, так как в каждой из области имеется небольшое количество неосновных носителей заряда, то небольшой обмен носителями заряда между областями все же происходит, но он очень мал. Такой ток получил название обратный ток Iобр.

Работа диода прямое и обратное напряжение

Напряжение, открытия диода, когда через него течет прямой ток называют прямым U пр, а напряжение обратной полярности, при котором он запирается и через него течет I обр называют обратным U обр. При U пр внутреннее сопротивление не выше нескольких десятков Ом, зато при U обр сопротивление резко увеличивается до сотен и даже тысяч килоом. Это легко увидеть, если измерить обратное сопротивление с помощью мультиметра.

Сопротивление электронно-дырочного перехода величина не постоянная и зависит от Uпр. Чем оно выше, тем меньше сопротивление p-n переход, тем выше Iпр идущий через полупроводник. В закрытом состоянии на нем падает почти все напряжение, поэтому, Iобр ничтожно мал, а сопротивление p-n перехода огромно.

Если мы подсоединим диод в цепь переменного тока, то он будет открыт при положительных полуволне синусоидального напряжения, пропуская прямой ток, и заперт при отрицательной полуволне, почти не пропуская Iобр. Это главное свойства диодов используют для преобразования переменного напряжения в постоянный, и такие приборы называют выпрямительными.

Зависимость тока, проходящего через электронно-дырочный переход, от величины и полярности напряжения изображают в виде кривой, называемой ВАХ

Она состоит из двух ветвей: прямая ветвь — соответствует прямому току через диод, и обратная ветвь, соответствующая обратному току.

Прямая ветвь графика круто поднимается вверх и характеризует быстрый рост прямого тока с ростом значения прямого напряжения. Обратная ветвь, наоборот следует почти параллельно горизонтальной оси и характеризует медленный рост I обр. Чем ближе к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной оси обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства полупроводника. Наличие Iобр является недостатком. Из кривой ВАХ видно, что I пр во много больше I обр.

Как мы видим из графика с увеличением прямого напряжения через электронно-дырочный переход ток сначало возрастает медленно, а затем гораздо быстрее.

Но такое резкое увеличение тока нагревает молекулы полупроводника. И если количество тепла будет выше отводимого от кристалл, то могут случится необратимые изменения и разрушение кристаллической решетки.

Поэтому необходимо использовать ограничительное сопротивление включенное последовательно.

При сильном увеличении обратного напряжения, может произойти пробой электронно-дырочного прибора. Даже существуют специальные полупроводниковые приборы называемые стабилитронами в которых применяется это свойство.

Работа диода — пробой p-n перехода

Пробой p-n перехода это явление резкого возрастания обратного тока при достижении обратным напряжением определенного критического уровня. Тепловые пробои в свою очередь делятся на электрический и тепловой, а электрический пробой бывает туннельный и лавинный.

Электрический пробой происходит в результате воздействия сильного электрического поля в переходе. Такой пробой считается обратимым, так как он не приводит к повреждению кристалла, и при снижении уровня обратного напряжения характеристики диода сохраняются.

Туннельный пробой возникает в результате туннельного эффекта, который заключается в том, что при высокой напряженности электрического поля в узком p-n переходе, отдельные электроны просачиваются через переход. Такие p-n переходы возможны только при условии высокой концентрации примесей в молекуле полупроводника.

При туннельном пробое происходит резкий рост Iобр при малом обратном напряжении. На основе этого свойства были разработаны туннельные диоды. Они применяются в усилителях, генераторах синусоидальных колебаний и в различных переключающих устройствах на высоких частотах.

Лавинный пробой происходит также под действием сильного электрического поля, когда неосновные носители зарядов под действием тепла в переходе ускоряются на столько, что выбивают из атома один из валентных электронов и выкидывают его в зону проводимости, создав при этом пару электрон – дырка. Образовавшиеся свободные носители начинают разгоняться и сталкиваться с другими атомами, выбивая другие электроны. Процесс носит лавинообразный характер, что приводит к резкому увеличению Iобр при практически неизменном уровне напряжения.

Эффект лавинного пробоя применяется в мощных выпрямительных агрегатах, используемых в металлургической и химической промышленности, а также в железнодорожном транспорте.

Тепловой пробой происходит из-за перегрева p-n перехода при протекании большого уровня тока, и при плохом теплоотводе. Это приводит к резкому возрастанию температуры перехода и соседних с ним областе, увеличивается колебания атомов структуры кристалла, исчезает связь валентных электронов. Электроны начинают уходить в в зону проводимости, идет лавинообразное повышение температуры, что приводит к разрушению кристалла и выходу из строя радиокомпонента.

Описание работы выпрямительного устройства на полупроводниковых диодах

Тиристор это полупроводниковый прибор, изготовленный на основе монокристаллического полупроводника, обладающего тремя и более p-n-переходами.

Стабилитрон — разновидность полупроводникового диода, работающего при напряжении обратного смещении в режиме пробоя. До момента наступления пробоя через стабилитрон текут совсем незначительные токи утечки, а его сопротивление достаточно высокое. В момент пробоя ток через него резко увеличивается, а его дифференциальное сопротивление снижается до малых величин. За счет этого в режиме пробоя напряжение на стабилитроне поддерживается с неплохой точностью в большом диапазоне обратных токов.

Туннельные диоды — TekWiki

Туннельные диоды используются в различных схемах в ПРА Tektronix, изготовленных с начала 1960-х до 1980-х годов.

Приложения

Туннельные диоды использовались там, где они были желательно иметь быстрое и чистое переключение между двумя состояниями. Они использовались в

  • триггерных цепей как триггеров Шмитта,
  • схемы развертки и синхронизации как триггеры,
  • генераторы импульсов для преобразования сигналов с медленным нарастанием в импульсы с быстрым нарастанием,
  • цепей обратного отсчета / синхронизации

Проблемы смещения и сбоя

Характеристики туннельного диода (пиковые и минимальные напряжения и токи) имеют тенденцию к дрейфу.Обычно с этим можно справиться путем регулировки окружающего контура. Иногда полностью выходят из строя туннельные диоды. Замена обычно включает удаление подобного туннельного диода из другого устройства. В сообществе Tek есть люди, у которых могут быть туннельные диоды, которые они могут продать. Германиевые туннельные диоды чрезвычайно чувствительны к перегреву, особенно при паяльных работах. Помните и используйте легкоплавкий припой и соответствующий инструмент для защиты корпуса от перегрева!

Соответствующие отличительные параметры

Было изготовлено много различных типов туннельных диодов.Первичный параметр, который описывает один, — это пиковый ток, который представляет собой ток на вершине холма на кривой ВАХ. Два других важных электрических параметра — это емкость диода и то, сделан ли он из GaAs или Ge. В некоторых схемах другую модель туннельного диода можно заменить с незначительными изменениями в окружающей цепи. Стэн Гриффитс описывает такую ​​модификацию здесь:

Эмуляция с использованием общих частей

Распространенный вопрос заключается в том, можно ли сделать электрический эквивалент туннельного диода из современных, доступные части.Имитировать ВАХ несложно, но нет известной схемы, которая могла бы быть сделана из доступных частей с правильной ВАХ и высокой скоростью переключения реального диода.

Проверка туннельного диода

Прежде чем сделать вывод о том, что туннельный диод неисправен, важно убедиться, что он был правильно измерен. Высокое сопротивление цифрового мультиметра указывает на неисправность диода. Низкое сопротивление на цифровом мультиметре и низкое напряжение на тестере диодов являются нормальными при измерении туннельного диода.Более тщательный тест туннельного диода заключается в пропускании его через резистор с источником линейного напряжения, наблюдая за напряжением на туннельном диоде. Резистор должен быть рассчитан так, чтобы пиковый ток просто превышал пиковый ток, на который рассчитан туннельный диод. Конечно, если доступен измеритель кривой, он отлично подходит для измерения ВАХ диода (обратите внимание, что часть кривой с отрицательным сопротивлением может не отображаться из-за быстрого прохождения).

Короткая статья в Service Scope 49, апрель 1968 г. описывает установку быстрой проверки, которая аппроксимирует трассировщик кривой с использованием выходного сигнала пилообразной формы X осциллографа (см. Раздел фотографий ниже).

Индикатор кривой Tektronix 571 с туннельным диодом 10 мА. Туннельный диод 10 мА, установленный в приспособлении для измерения кривой Tektronix 571.

Моделирование

Быстрое переключение туннельного диода можно понять, смоделировав его как нелинейный источник тока, управляемый напряжением (VCCS), параллельно с небольшим паразитным конденсатором. Нелинейный VCCS управляется напряжением на выводах диода и отвечает за S-образную кривую ВАХ. (В качестве альтернативы и эквивалентно его можно смоделировать как нелинейное сопротивление.Однако нелинейная модель VCCS может быть предпочтительнее, поскольку она позволяет избежать сбивающее с толку понятие отрицательного сопротивления.) Рассмотрим туннельный диод, смещенный источником постоянного тока, который медленно повышается от нуля до тока, всего на несколько микроампер меньше, чем пиковый ток диода. Напряжение покоя будет чуть меньше пикового напряжения. Обратите внимание, что в этой точке ВАХ почти горизонтальна, и, следовательно, инкрементное сопротивление диода в этой точке очень велико. Для простоты мы можем предположить, что в этой точке покоя инкрементное сопротивление бесконечно.

Оценка скорости переключения

Теперь, когда мы установили начальные условия смещения, давайте посмотрим на событие, когда туннельный диод переключается в состояние. Предположим, что сигнал запуска подается на туннельный диод через резистор. Ток через резистор добавляется к току от источника постоянного тока. Поскольку мы предполагаем, что инкрементное сопротивление диода бесконечно в начальной точке смещения, весь ток, связанный с сигналом запуска, течет в емкость диода и из нее.Если добавлен достаточный заряд, мгновенное напряжение на диоде будет во второй области, где наклон функции VCCS отрицательный.

Когда диод входит во вторую область, увеличение напряжения на диоде вызывает уменьшение тока диода. Применяя закон Кирхгофа по току в узле, где диод встречается с источником постоянного тока, мы можем видеть, что ток, входящий в паразитный конденсатор в любой момент, представляет собой разницу между источником постоянного тока и нелинейным током VCCS при данном мгновенном напряжении.Мы можем использовать этот факт для оценки времени переключения туннельного диода. (Форма перехода также может быть оценена.)

В качестве примера возьмем случай туннельного диода с пиковым током 10 мА и емкостью 5 пФ. Первоначальную оценку времени переключения можно сделать, предположив, что для перехода от От V 1 до V 2 необходимо добавить определенное количество заряда к паразитной емкости диода.

Из Q = C * V мы знаем, что ∆ Q = C * ∆ V, что составляет ∆ Q = C * (V 2 — V 1 )
С V 1 = 65 мВ и V 2 = 465 мВ, ∆ Q = 5 * 10 -12 F * 0.4 В = 2 пикокулоны.

Теперь мы смело предполагаем, что зарядный ток во время перехода постоянен и составляет половину пикового тока. 5 мА — это 5 милликулонов в секунду.

t = (2 * 10 -12 C) / (5 * 10 -3 A) = 0,4 нс

Туннельные диоды, используемые в Tektronix Instruments

  • STD615 (152-01-02-00) — Ge, 10 мА, 28 пФ
  • TD1081 (152-0099-00) — Ge, 50 мА, 6 пФ
  • TD253 (152-0154-00) — Ge, 10 мА, 9 пФ
  • TD3A (152-0125-xx) — Ge, 4.7 мА, 18 пФ
  • 1N3129 — Ge, 20 мА, 20 пФ
  • 1N3130 — Ge, 50 мА, 6 пФ
  • 1N3712 — Ge, 1 мА ± 10%, 10 пФ
  • 1N3713 — Ge, 1 мА ± 2,5%, 5 пФ
  • 1N3714 — Ge, 2,2 мА ± 10%, 25 пФ
  • 1N3715 — Ge, 2,2 мА ± 2,5%, 10 пФ
  • 1N3716 — Ge, 4,7 мА ± 5%, 50 пФ
  • 1N3717 — Ge, 4,7 мА ± 2,5%, 25 пФ
  • 1N3718 / TD4 — Ge, 10 мА ± 10%, 90 пФ
  • 1N3719 — Ge, 10 мА ± 2,5%, 25 пФ
  • 1N3720 — Ge, 22 мА ± 10%, 150 пФ
  • 1N3721 — Ge, 22 мА ± 2.5%, 100 пФ
  • 152-0140-01 — Ge (?), 10 мА, 8 пФ
  • 152-0177-00 / -01 / -02 — Ge, 10 мА, 4,7 пФ
  • 152-0181-00 — Ge (?), 1 мА, 5 пФ
  • 152-0182-00 — Ge (?), 10 мА, 50 пФ
  • 152-0254-01 — Ge, 100 мА, 6 пФ
  • 152-0329-00 — Ge (?), 19 мА, 1,5 пФ
  • 152-0379-00 — Ge (?), 20 мА, 10 пФ
  • 152-0383-00 — 50 мА, t r 31 пс
  • 152-0386-00 — Ge (?), 10 мА, 25 пФ
  • 152-0402-00 — 2,2 мА 25 пФ
  • 152-0489-00 — Ge (?), 21 мА, 1.5 пФ
  • 153-0040-00 — 50 мА малой емкости
  • 153-0400-00 — 50 мА малой емкости

Чтение

Учебники и справочники

Перекрестная ссылка

General Electric

RCA

Другие производители

Изображения

  • Проверка туннельного диода на 575

  • Проверка туннельного диода со звуковым генератором и 7D20 в режиме X-Y

  • Пример быстрой проверки туннельного диода с использованием метода из Service Scope 49, апрель 1968 г.Правый луч масштабируется с задержкой по времени, чтобы показать скорость шага.

  • Устройство трассировки кривых Tektronix 571, вольт-амперная характеристика германиевого туннельного диода 10 мА

  • TD 253 Туннельный диод от Tek 547

  • Туннельные диоды TD253 и TD3A в секции запуска и развертки Tek 547)

  • Туннельный диод

    1D2 (2,2 мА) в датчике задержки Tek 547

Электротехника — Как построить ВАХ туннельного диода?

Настройка

Мы можем лучше понять поведение туннельного диода в области с отрицательным сопротивлением, если представим его как саморегулирующийся резистор ( динамический ) R, управляемый источником переменного напряжения V — рис.1. Если у OP тонкое чувство юмора, я предлагаю провести этот эксперимент в виде забавной (но полезной) игры, где он — источник напряжения, а я — «туннельный диод» 🙂

Рис. 1. Установка для измерения ВАХ туннельного диода в области отрицательного сопротивления (Wikibooks)

Графическое представление

Напряжение VA на и ток IA через эти два элемента одинаковы. Таким образом, их ВАХ могут быть наложены на одну и ту же систему координат — рис.2. ВАХ переменного резистора представляет собой прямую линию (оранжевого цвета), начинающуюся от начала координат и имеющую наклон, зависящий от мгновенного ( статическое ) сопротивления R. ВАХ источника входного напряжения представляет собой вертикальную линию. (красным) смещен вправо от оси Y. Точка А пересечения (также известная как рабочая точка ) представляет мгновенные значения тока IA и напряжения VA.

Рис. 2. Графическое представление работы схемы в виде двух наложенных друг на друга ВАХ (Wikibooks)

Операция

1.Область с низким положительным сопротивлением. Когда OP постепенно увеличивает входное напряжение от нуля до начала области отрицательного сопротивления, я сохраняю низкое постоянное сопротивление R … и OP (то есть источник напряжения) представляет его в виде крутой линии (IV кривая).

2. Область отрицательного сопротивления. Достигнув области отрицательного сопротивления, я решаю сыграть с OP и начать энергично увеличивать R, в то время как он постепенно увеличивает входное напряжение. В результате в законе Ома I = V / R и V, и R изменяются в противоположных направлениях и с разной скоростью изменения.Уровень сопротивления выше, чем уровень напряжения, поэтому ток уменьшается, и OP видит отрицательное сопротивление. На рис. 2 вольт-амперная кривая my (R, туннельный диод) начинает вращаться по часовой стрелке; рабочая точка A перемещается вниз и отображает участок отрицательного сопротивления N-образной ВАХ туннельного диода.

3. Область высокого положительного сопротивления. После области отрицательного сопротивления OP продолжает увеличивать входное напряжение. Мой резистор обладает высоким положительным сопротивлением, и OP представляет его как наклонную кривую IV.

Дополнительные соображения

Давайте посмотрим, что является наиболее важным для измерения ВАХ туннельного диода. ИМО, это не область. Вы должны видеть, что при увеличении напряжения на диоде ток через него уменьшается. Для этого в первую очередь необходимо последовательно снять (уничтожить, нейтрализовать) любое сопротивление. Вот моя философия о том, как мы можем это сделать …

Проблема. Что это за сопротивление? Во-первых, это внутреннее сопротивление источника напряжения, а во-вторых, это сопротивление амперметра (как вы сейчас доказали, VOM измеряет ток, измеряя падение напряжения на небольшом сопротивлении).Как мы творим эту магию? Обычный ответ: «Это очень просто, просто оставьте отрицательный отзыв». Да, но вас, вероятно, не устраивают готовые формальные объяснения, и вы хотите понять идею, стоящую за всем этим. Вот что это …

Решение. Обнулить сопротивление фактически означает обнулить падение напряжения на нем (V = I.R = 0). Естественный путь — заменить существующее сопротивление «куском проволоки»; тогда действительно V = I.0 = 0. Только мы не можем сделать это таким образом.Однако, поскольку мы достаточно изобретательны, мы решили сделать это искусственным путем — добавив последовательно напряжение, равное падению напряжения, согласно KVL. В результате общее напряжение в этой сети будет равно нулю … как будто сопротивление равно нулю. Замечательно, не правда ли?

Мы можем добавить компенсирующее напряжение двумя способами:

1. Увеличение VIN с VR. Во-первых, мы можем заставить источник входного напряжения повышать его напряжение на величину падения напряжения.Мы можем сделать это, применив последовательную отрицательную обратную связь к операционному усилителю и поместив (спрятав) сопротивление амперметра в контур обратной связи. Эта идея реализована в ответах Олина и Кокеликота. Недостатком этого решения является то, что амперметр (АЦП) плавающий. Также вы можете захотеть протестировать другое устройство по току; тогда устройство будет плавать.

2. Добавление VR к VIN. Вторая идея просто потрясающая — вместо увеличения входного напряжения с помощью VR мы решили добавить к входному напряжению компенсирующее напряжение VR.Это означает подключение дополнительного источника напряжения последовательно к диоду, чтобы его напряжение добавлялось к входному напряжению в соответствии с KVL. Для этого его напряжение должно быть отрицательным по отношению к земле (вы можете сами убедиться, путешествуя по петле). Сумма компенсирующего напряжения и падения напряжения на R равна нулю (VR — VR = 0), и появляется так называемая виртуальная земля .

Мы можем объяснить эту технику в терминах сопротивлений . Выход операционного усилителя можно рассматривать как «отрицательный резистор» с эквивалентным, но отрицательным сопротивлением -R, которое добавляется к положительному сопротивлению R.Результат — нулевое сопротивление.

Реализация. Таким образом, у вас есть две возможности искусственно обнулить нежелательное сопротивление — неинвертирующей конфигурацией или инвертирующей. Я предпочитаю использовать второй; эта старая установка из 90-х годов реализована таким образом (вот фильм, показывающий, как выпрямительный диод можно исследовать по напряжению). Фактически это инвертирующий усилитель с буферизованным входом и выходом. Для ваших целей вы должны подключить туннельный диод вместо R1 и амперметр (ВОМ или движение) вместо R2.Если вы хотите измерить ток с помощью заземленного АЦП или порта микроконтроллера, используйте выходное напряжение операционного усилителя в качестве меры тока. Проблема только в том, что он отрицательный (I = -Vout / R).

См. Также

Демистификация феномена отрицательного дифференциального сопротивления (рассказ в Викиучебнике о NDR)

Искусство электроники — пример стабилитрона (то же объяснение динамического сопротивления, но в случае стабилитрона)

Компенсация напряжения (рассказ Wikibooks о философии инвертирующих схем операционных усилителей)

опубликовано 12 месяцев назад

11мес. Назад

Теория и характеристики »Электроника

Туннельный диод основан на туннельном эффекте.Это придает устройству

некоторые полезные характеристики.

Учебное пособие по туннельному диоду Включает:
Туннельный диод Теория туннельных диодов Структура устройства туннельного диода Обратный диод

Другие диоды: Типы диодов


Основы теории туннельных диодов позволяют понять принцип работы диода.

Характеристики и работа туннельного диода зависят от некоторых тонких различий между нормальным PN-переходом и структурой самого туннельного диода.

По сути, это очень высокие уровни легирования, используемые в туннельном диоде, его уникальные свойства и характеристики.

Теория туннельного диода

показывает, что он не работает как обычный диод, а вместо этого демонстрирует область отрицательного сопротивления в прямом направлении.

Кривая ВАХ в сочетании с очень высокой скоростью диода означает, что его можно использовать в различных СВЧ-приложениях в качестве активного устройства.

Основы теории туннельных диодов

Ключом к пониманию теории туннельных диодов является характеристическая кривая с отрицательным наклоном — это указывает на область отрицательного сопротивления.Область отрицательного сопротивления означает, что при увеличении напряжения ток фактически падает, что противоречит закону Ома.

Также интересно отметить, что ток также течет в обратном направлении — обратное напряжение пробоя фактически равно нулю, и диод проводит в обратном направлении. Характеристики около начала координат графика практически симметричны.

IV характеристика туннельного диода

Характеристическая кривая туннельного диода состоит из нескольких различных элементов :.

  • Нормальный ток диода: Это нормальный или ожидаемый ток, который будет протекать через диод с PN переходом.
  • Туннельный ток: Это ток, который возникает в результате туннельного эффекта.
  • Избыточный ток: Это третий элемент тока, который вносит вклад в общий ток внутри диода. Это является результатом того, что можно назвать избыточным током, который возникает в результате туннелирования через объемные состояния в запрещенной зоне, и означает, что ток долины не падает до нуля.
Теория туннельного диода: токи компонентов

Три составляющие тока туннельного диода суммируются, чтобы получить общую характеристическую кривую, которую часто можно увидеть в объяснениях теории туннельных диодов.

Туннельный механизм и теория

Туннелирование — это эффект, вызываемый квантово-механическими эффектами, когда электроны проходят через потенциальный барьер. Это может быть визуализировано в очень простых терминах путем их «туннелирования» через энергетический барьер.

Туннелирование происходит только при определенных условиях. Это происходит в туннельных диодах из-за очень высоких уровней легирования.

При обратном смещении электроны туннелируют из валентной зоны в материале p-типа в зону проводимости в материале n-типа, и уровень тока монотонно увеличивается.

Для ситуации с прямым смещением существует ряд различных областей. Для напряжений до Vpe электроны из зоны проводимости обнаруживают увеличивающуюся доступность пустых состояний в валентной зоне, и уровень тока увеличивается до точки, где ток равен Ipe.

Когда эта точка достигнута, обнаруживается, что количество доступных для электронов пустых состояний с уровнем энергии, которую они получают за счет повышенного уровня напряжения, начинает падать. Это означает, что текущий уровень соответствует этому. Общий текущий уровень относительно быстро падает, почти до нуля.

По мере того, как ток из-за эффекта туннелирования падает, диффузионный ток, который является тем же действием, что и в нормальном диоде с PN-переходом, начинает расти и постепенно становится доминирующим механизмом.

Характеристики туннельного диода

На диаграмме вверху страницы показана ВАХ туннельного диода. Он имеет форму N-образной кривой. С областью отрицательного сопротивления между пиковым напряжением Vpe и минимальным напряжением Vv.

Значения этих напряжений зависят от материала диода, а также от его индивидуальных характеристик.

Характеристики туннельного диода для различных материалов
Параметр / Характеристика Германий Кремний Арсенид галлия
Vpe (мВ) 40–70 80–100 90–120
Vv (мВ) 250–350 400–500 450-600
Ipe / IV 10-15 3-5 10–20

Одним из ключевых показателей характеристик туннельных диодов является отношение пиковых и минимальных значений тока: I pe / I v .Это дает теоретическое представление о характеристиках туннельного диода. Используя таблицу, можно увидеть, что кремний имеет очень низкое значение для I pe / I v и, соответственно, теория согласуется с практикой, и обнаружено, что характеристики кремниевых туннельных диодов не так хороши, как у германия и арсенид галлия и другие комбинации.

Другие электронные компоненты: Резисторы
Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы ВЧ разъемы Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

Туннельный диод

— определение, символ и работа

Туннель определение диода

А Туннельный диод представляет собой сильно легированный p-n переходной диод, в котором уменьшается электрический ток как напряжение увеличивается.

В туннельный диод, электрический ток вызван «туннелированием».В туннельный диод используется как устройство с очень быстрым переключением в компьютеры. Он также используется в высокочастотных генераторах и усилители.

Символ туннельного диода

Условное обозначение туннельного диода показано на рисунке ниже. В туннельном диоде p-тип полупроводник действует как анод, а n-тип полупроводник действует как катод.

ср знать, что анод — это положительно заряженный электрод, который притягивает электроны, тогда как катод отрицательно заряжен. электрод, испускающий электроны. В туннельном диоде n-типа полупроводник излучает или производит электроны, поэтому его называют как катод. С другой стороны, полупроводник p-типа притягивает электроны, испускаемые полупроводником n-типа, поэтому Полупроводник p-типа называется анодом.

Что такое туннельный диод?

Туннель диоды являются одними из самых важных твердотельных электронных устройств которые появились в последнее десятилетие. Туннель Диод был изобретен в 1958 году Лео Эсаки.

Лев Эсаки заметил, что если полупроводниковый диод сильно легирован с примесями он будет проявлять отрицательное сопротивление.Отрицательный сопротивление означает, что ток через туннельный диод уменьшается когда напряжение увеличивается. В 1973 году Лео Эсаки получил Нобелевская премия по физике за открытие электронного туннелирования эффект, используемый в этих диодах.

А туннельный диод также известен как диод Эсаки, названный в честь Лео Эсаки за работу над туннельным эффектом.Операция туннельного диода зависит от принципа квантовой механики известный как «Туннелирование». В электронике туннелирование означает прямое поток электронов через малую обедненную область из Зона проводимости n-стороны в валентную зону p-стороны.

германий Материал обычно используется для изготовления туннельных диодов. Они есть также сделаны из других материалов, таких как галлий арсенид, антимонид галлия и кремний.

Ширина области обеднения в туннельном диоде

обедненная область — это область в диоде с p-n-переходом, где мобильные носители заряда (бесплатно электроны и дырки) отсутствуют. Область истощения действует как барьер, препятствующий поток электронов из полупроводника n-типа и дырок из полупроводника p-типа.

ширина область обеднения зависит от количества примесей добавлен. Примеси — это атомы, введенные в p-тип и Полупроводник n-типа для увеличения электропроводности.

Если а в диод p-n-перехода добавляется небольшое количество примесей (полупроводник p-типа и n-типа), широкая обедненная область сформирован.С другой стороны, если большое количество примесей добавлен к диоду p-n-перехода, узкая обедненная область сформирован.

В туннельный диод, полупроводники p-типа и n-типа сильно легированные, что означает введение большого количества примесей на полупроводники p-типа и n-типа. Этот тяжелый допинг процесс дает чрезвычайно узкую область истощения.В концентрация примесей в туннельном диоде в 1000 раз больше, чем у обычного диода с p-n переходом.

В нормальный диод с p-n переходом, обедненная ширина велика, как по сравнению с туннельным диодом. Этот широкий слой истощения или Область истощения в нормальном диоде препятствует прохождению тока. Следовательно, истощающий слой действует как барьер. Чтобы преодолеть это барьер, нам нужно подать достаточное напряжение.Когда достаточно подается напряжение, электрический ток начинает течь через нормальный диод p-n перехода.

В отличие от нормальный диод с p-n переходом, ширина обедненного слоя в туннельном диоде крайне узкий. Итак, применяя небольшой напряжения достаточно для выработки электрического тока в туннельном диоде.

Туннель диоды способны оставаться стабильными в течение длительного времени чем обычные диоды с p-n переходом.Они также способны высокоскоростных операций.

Концепт проходки тоннелей

истощение область или обедненный слой в диоде с p-n переходом состоит из положительных и отрицательных ионов. Из-за этих положительных и отрицательные ионы, существует встроенный потенциал или электрический поле в области истощения.Это электрическое поле в область истощения оказывает электрическую силу в направлении противоположно внешнему электрическому полю (напряжению).

Другой вещь нужно помнить, что валентная зона и проводимость зонные энергетические уровни в полупроводнике n-типа незначительно ниже энергетических уровней валентной зоны и зоны проводимости в полупроводнике p-типа.Эта разница в уровнях энергии связано с различием уровней энергии легирующей примеси. атомы (донорные или акцепторные), используемые для образования n-типа и Полупроводник p-типа.

Электрический Текущий в обычном p-n переходе диод

Когда а напряжение прямого смещения приложено к обычному p-n переходу диода ширина обедненной области уменьшается и при этом со временем высота барьера также уменьшается.Однако электроны в полупроводнике n-типа не может проникать через слой истощения, потому что встроенное напряжение истощения слой противодействует потоку электронов.

Если приложенное напряжение больше, чем встроенное напряжение слой обеднения, электроны с n-стороны преодолевают противодействующей силе истощенного слоя, а затем входит в p-сторона.Проще говоря, электроны могут проходить через барьер (обедненный слой), если энергия электронов больше высоты барьера или барьерный потенциал.


Следовательно, ан обычный диод с p-n переходом производит электрический ток, только если приложенное напряжение больше, чем встроенное напряжение область истощения.

Электрический Текущий в туннельном диоде

В туннельный диод, валентная зона и энергия зоны проводимости уровни в полупроводнике n-типа ниже валентного энергетические уровни зоны и зоны проводимости в p-типе полупроводник.В отличие от обычного диода с p-n переходом, Разница в уровнях энергии в туннельном диоде очень велика. Из-за такой большой разницы в уровнях энергии зона проводимости материала n-типа перекрывается с валентная зона материала p-типа.

Квантовая механика говорит, что электроны будут напрямую проникать через слой истощения или барьер, если ширина истощения очень небольшой.

обедненный слой туннельного диода очень мал. Он находится в нанометры. Таким образом, электроны могут напрямую туннелировать через небольшая область обеднения из n-сторонней зоны проводимости в p-сторона валентная зона.

В обычные диоды, ток вырабатывается при подаче напряжения больше, чем встроенное напряжение области истощения.Но в туннельных диодах небольшое напряжение, которое меньше встроенного напряжения области истощения достаточно, чтобы произвести электрический ток.

В туннельные диоды, электроны не должны преодолевать встречные сила из обедненного слоя, чтобы произвести электрический ток. Электроны могут напрямую туннелировать из зоны проводимости n-область в валентную зону p-области.Таким образом, электрические ток вырабатывается в туннельном диоде.

Как туннельный диод работает?

Шаг 1: Несмещенный туннельный диод

Когда на туннельный диод не подается напряжение, он называется несмещенный туннельный диод. В туннельном диоде зона проводимости материал n-типа перекрывается с валентной зоной материал p-типа из-за сильного легирования.

Потому что этого перекрытия электроны зоны проводимости на n-стороне и дырки валентной зоны на стороне p имеют почти одинаковую энергию уровень. Поэтому, когда температура увеличивается, некоторые электроны туннель из зоны проводимости n-области в валентную полоса p-области. Подобным образом дыры туннелируют от валентная зона p-области к зоне проводимости n-области.

Однако чистый текущий поток будет равен нулю, потому что равное количество носители заряда (свободные электроны и дырки) текут навстречу друг другу. направления.

Шаг 2: Небольшое напряжение, приложенное к туннельному диоду

Когда а на туннельный диод подается небольшое напряжение, которое меньше чем встроенное напряжение обедненного слоя, нет прямого ток течет через переход.

Однако небольшое количество электронов в зоне проводимости n-область будет туннелировать в пустые состояния валентной зоны в р-области. Это создаст небольшой туннель прямого смещения. Текущий. Таким образом, туннельный ток начинает течь с небольшой приложение напряжения.

Шаг 3: Приложенное напряжение немного увеличено

Когда напряжение, подаваемое на туннельный диод, немного увеличивается, большое количество свободных электронов на n-стороне и дырок на p-стороне генерируются.Из-за увеличения напряжения перекрытие зоны проводимости и валентной зоны составляет повысился.

В простыми словами, уровень энергии n-сторонней зоны проводимости становится в точности равным энергетическому уровню валентности на стороне p. группа. В результате протекает максимальный туннельный ток.

Шаг 4: Приложенное напряжение дополнительно увеличивается

Если приложенное напряжение увеличивается, небольшое смещение зона проводимости и валентная зона.

С зона проводимости материала n-типа и валентность лента из материала p-типа внахлест порога. Электронный туннель из зоны проводимости n-области в валентную зону p-области и вызывают небольшой ток. Таким образом, туннелирование ток начинает уменьшаться.

Шаг 5: Приложенное напряжение значительно увеличено

Если приложенное напряжение значительно увеличивается, туннелирование ток падает до нуля.В этот момент зона проводимости и валентные зоны больше не перекрываются и туннельный диод работает таким же образом, как и обычный диод с p-n переходом.

Если это приложенное напряжение больше встроенного потенциала истощенного слоя начинается регулярный прямой ток протекает через туннельный диод.

часть кривой, на которой ток уменьшается по мере увеличения напряжения увеличивается область отрицательного сопротивления туннеля диод.Область отрицательного сопротивления является наиболее важной. и наиболее широко используемая характеристика туннельного диода.

А туннельный диод, работающий в области отрицательного сопротивления, может использоваться как усилитель или генератор.

Преимущества из туннельные диоды

  • Долговечность
  • Высокоскоростной операция
  • Низкий уровень шума
  • Низкое энергопотребление расход

Недостатки из туннельные диоды

  • Тоннель массовое производство диодов невозможно
  • Быть двойником оконечное устройство, вход и выход не изолированы от друг друга.

Приложения из туннельные диоды

  • Тоннель диоды используются в качестве запоминающих устройств логической памяти.
  • Туннель диоды используются в схемах релаксационных генераторов.
  • Туннель диод используется как сверхбыстрый переключатель.
  • Туннель диоды используются в FM-приемниках.

Типы диодов

различные типы диодов следующие:

  1. стабилитрон диод
  2. Лавинный диод
  3. Фотодиод
  4. Свет Излучающий диод
  5. Лазер диод
  6. Туннель диод
  7. Шоттки диод
  8. Варактор диод
  9. П-Н переходной диод

Осциллятор с туннельным диодом

Essentials для туннельного диодного генератора

Чак Агоста — Университет Кларка
Генератор с туннельным диодом (TDO) — это высокостабильная система саморезонирующего генератора, которую мы используем для измерения глубины проникновения ВЧ в проводящие, сверхпроводящие и магнитные материалы.Это позволяет нам изучать сверхпроводящие свойства, удельное сопротивление и магнитные свойства материалов без подключения выводов, что является преимуществом для небольших хрупких образцов, которые мы изучаем. Кроме того, работа на частотах в десятки или сотни мегагерц совместима с импульсными магнитными полями, где мы можем изучать свойства материалов до 50 тесла в нашей собственной лаборатории или 100 тесла в NHMFL в Национальной лаборатории Лос-Аламоса.

Образец органического сверхпроводника, помещенный в катушку, чтобы его можно было исследовать посредством проникновения радиочастоты.Катушка имеет диаметр чуть менее 1 мм. В качестве примера того, насколько просто подготовить образец для исследования, слева показано изображение образца в катушке. Катушка прикреплена к схеме, показанной ниже, чтобы заставить ее звонить на своей резонансной частоте. По мере изменения свойств материала изменяется глубина проникновения, что, в свою очередь, изменяет индуктивность и резонансную частоту контура. Измеряя сдвиг частоты схемы, мы можем сделать вывод об изменениях свойств образца.Используемая нами схема основана на туннельном диоде, который имеет область отрицательного сопротивления (уменьшение тока с увеличением напряжения) из-за квантово-механического туннелирования через изолирующий слой между PN-переходом, как показано на рисунке ниже. Если диод смещен в область отрицательного сопротивления, он становится нестабильным, а если он подключен к резонансному контуру, он саморезонирует. Обычно мы запускаем схему при криогенных температурах, а при низких температурах стабильность схемы может составлять 1 часть на $ 10_9 $ в правильной ситуации.В большинстве случаев мы помещаем наш образец в катушку резонансного контура, как показано выше, и по мере изменения глубины проникновения в образец индуктивность катушки изменяется, что приводит к сдвигу резонансной частоты. Высокая стабильность схемы позволяет нам измерять изменения глубины проникновения менее 1 ангстрем.

Туннельный диод имеет область отрицательного сопротивления. Эта ВАХ туннельного диода БД-4 имеет пиковый ток 50 мкА. Основополагающая статья об использовании TDO принадлежит Ван Дегрифту 1 , и мы адаптировали принципы конструкции в этой статье для исследования твердотельных образцов в сильных магнитных полях.Наши основные методы и критерии проектирования решают проблемы использования небольших катушек с более низкой добротностью, импульсных магнитных полей и очень низких температур (рефрижератор разбавления).

Пример схемы TDO, которую мы используем в нашем исследовании, показан на втором рисунке. Используемые туннельные диоды имеют пиковый ток 150-400 мкА. Напряжение на диоде при пиковом токе всегда составляет около 40 мВ, и типичный диод 300 $ \ mu $ A соответствует отрицательному сопротивлению $ R_n = -300 \ Omega $. Паразитный резистор $ R_p = 75 \ Omega $ основан на формуле ВанДегифта $ R_p = R_n / 4 $ и $ R_2 = (R_n — R_p) / 4 $, или около 50 Ом $ в нашем случае.$ R_1 $ идеально образует остальную часть делителя напряжения и помогает изолировать цепь от шума в верхней части криостата, хотя он также нагревает криостат. В исходной статье он был установлен на абсолютное значение $ R_n $, но мы склонны устанавливать его равным $ R_2 $ и перемещать это сопротивление в коробку смещения вне криостата. Поскольку $ R_1 $ теперь маленький, $ C_c $ — спорный вопрос, поэтому мы его пропускаем. $ C_b $ поддерживает более или менее постоянное напряжение в верхней части делителя напряжения и служит для изоляции генератора от внешнего мира.Типичное значение $ C_b $ составляет $ 1000 / (2 \ pi f | R_n |) $, где f — резонансная частота осциллятора. Схема TDO. Типовые значения указаны в тексте. Пунктирные линии указывают, где цепь разделена и подключена с помощью микрокоаксиального кабеля, или для измерительной катушки, иногда просто витой пары. В большинстве реализаций резисторы делителя напряжения $ R_1 $ и $ R_2 $ отделены от остальной схемы не менее чем на 10 см, чтобы избежать нагрева образца, а $ C_m $ помогает избежать отражений в этом проходе коаксиального кабеля.C — это емкость резонансной части схемы, хотя в нашей схеме большая часть C, вносящая вклад в $ \ omega = 1 / \ sqrt {LC} $, является паразитной, как объясняется в тексте. Катушка индуктивности, которую мы наматываем, будет содержать образец, который мы планируем изучить, как показано выше. Высокий коэффициент заполнения означает чувствительность измерения, поэтому мы склонны наматывать специальные катушки для каждого образца с целью обеспечения коэффициента заполнения 20-60%. Конденсатор генератора (баковый контур) в основном связан с паразитной емкостью, но мы обнаружили, что установка на печатной плате микросхемы конденсатора емкостью не менее 2-5 пФ стабилизирует частоту относительно переменной емкости диода и емкости кабеля, которая неизбежно связана с емкостью схема.

Есть два важных дополнения к схеме, критичных для нашей работы. Как описано в нашей статье 2 для импульсных полей, может возникать большое индуцированное напряжение, исходящее от катушки, которое выталкивает диод из точки смещения. Чтобы избежать этой проблемы, мы добавляем вторую идентичную катушку или любую дополнительную конфигурацию проводов, которая имеет равную и противоположную площадь, подверженную изменяющемуся магнитному полю. Это добавление нейтрализует индуцированное напряжение. Эффективная площадь катушки станет больше, и, следовательно, коэффициент заполнения системы катушки с образцом станет меньше, но обычно у нас достаточно сигнала, чтобы шум все еще мог получить нужные нам данные.Компенсированная катушка Вторая модификация схемы для наших экспериментов заключается в перемещении резисторов смещения $ R_1 $ и $ R_2 $ в более высокую точку в нашем криостате, на расстоянии 4-50 см от остальной схемы, чтобы избежать нагрева области, где образец является.

Одним из преимуществ метода глубины проникновения TDO является его надежность. Он работает с частотой, которая может быть настроена так, чтобы она попадала в тихую часть спектра, вдали от низкочастотных наведенных напряжений dB / dt и шума переключения в импульсном магнитном поле.Он также может быть сколь угодно маленьким, и образец не нужно изолировать, как при калориметрических измерениях. Хорошим примером суровых условий, в которых он работает, являются ячейки с алмазными наковальнями в импульсных магнитных полях. В сотрудничестве со Стэном Тозером из NHMFL в 2002 году мы поместили катушку диаметром 300 мкм на грань алмаза в пластиковую ячейку с алмазной наковальней. Нам удалось провести эксперименты при давлении до 5 кбар в холодильнике для разбавления в полях постоянного тока до 50 Тл при 0,5 К во вращающемся держателе образца. 3 Здесь показано изображение установки. Эта установка была усовершенствована Стэном Тозером и его группой и теперь способна достигать 20 кбар при 0,4 К в импульсных полях 65 Тл. Ячейка с алмазной наковальней (в центре справа) изготовлена ​​из специального высокопрочного пластика, поэтому она может работать в импульсных полях. Черно-белый фоновый снимок сделан через обратную сторону алмаза и показывает образец в катушке диаметром 300 мкм. Также показаны схема TDO (вверху, слева) и вращающийся конец датчика (внизу).Наши нынешние схемы TDO почти в 10 раз меньше.

1 К. Ван Дегрифт, «Генератор с туннельным диодом для измерений 0,001 ppm при низких температурах», Rev. Sci. Instrum. 46, , 599 (1975).
2 T. Coffey, Z. Bayindir, J. F. DeCarolis, M. Bennett, G. Esper и C. C. Agosta, «Измерение радиочастотных свойств материалов в импульсных магнитных полях с помощью генератора с туннельным диодом», Rev. Sci. Инстр., 71 4600 (2000).
3 С.Мартин, К. К. Агоста, С. Тозер, Х. А. Радован, Т. Киношота и М. Токумото «Критическое поле и осцилляции Шубникова-де Гааза κ- (BEDT-TTF) 2 Cu (NCS) 2 под давлением» J. Low Temp. Phys. 138 , 1025 (2005).

[решено] В туннельном диоде находится уровень Ферми

Туннельный диод представляет собой высоколегированный полупроводниковый диод Уровень Ферми находится внутри зоны проводимости на n-стороне и внутри валентной зоны на p-стороне из-за этого тяжелого допинг.

Ниже уровня Ферми все состояния заполнены, а выше уровня Ферми все состояния пусты.

Анализ :

Шаг 1 : При нулевом смещении ток отсутствует, так как уровни ферми выровнены

Шаг 2 : Применяется небольшое прямое смещение. Потенциальный барьер все еще очень высок — нет заметной инжекции и прямого тока через переход.

Однако электроны в зоне проводимости n-области будут туннелировать электроны в пустые состояния валентной зоны в p-области.

Это создаст туннельный ток прямого смещения

Шаг 3: При большем напряжении энергия большинства электронов в n-области равна энергии пустых состояний (дырок) в валентной зоне p-области; это даст максимальный туннельный ток

Шаг 4 : По мере того, как прямое смещение продолжает увеличиваться, количество электронов на стороне n, которые прямо противоположны пустым состояниям в валентной зоне (с точки зрения их энергии), уменьшается.

Следовательно, уменьшение туннельного тока начнется

Шаг 5 :

Чем больше приложено прямое напряжение, тем меньше туннельный ток падает до нуля.

Но обычный прямой ток диода из-за инжекции электронов в дырки увеличивается из-за более низкого потенциального барьера.

Шаг 6 : При дальнейшем увеличении напряжения вольт-амперная характеристика туннельного диода аналогична характеристике обычного p-n-диода.

Под обратным смещением :

В этом случае, электроны в валентной зоне p-стороны туннелируют прямо к пустым состояниям, присутствующим в зоне проводимости n-стороны, создавая большой туннельный ток, который увеличивается с приложением обратного напряжения.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода лучше всего представлена ​​следующим образом:

Туннельный диод

: характеристики и применение

График характеристики

i v
Три региона, определяемые уклоном

В отличие от диода с P-N переходом, туннельный диод не пробивается при некотором отрицательном напряжении. Туннельный диод также не отключает ток при напряжениях ниже напряжения включения.Слева на характеристиках, в области, обозначенной «a», по мере увеличения напряжения на туннельном диоде ток увеличивается почти линейно. Наклон положительный.

Видите регион с отрицательным уклоном?

В области, обозначенной «c», характеристика напоминает растущую экспоненту диода с прямым смещением P-N перехода. Однако область, обозначенная буквой «b», кардинально отличается.

После того, как ток достигнет пикового значения, дальнейшее увеличение напряжения приведет к уменьшению протекающего тока.Это противоречит большинству устройств. Обычно повышение напряжения приводит к увеличению тока. В области «b» положительное изменение напряжения приведет к отрицательному изменению тока. Это связано с туннельным эффектом. Возникает изменяющееся сопротивление, которое представляет собой изменение напряжения, деленное на изменение тока. В области туннелирования это изменение сопротивления отрицательное. Таким образом, мы говорим, что туннельный диод имеет отрицательное сопротивление .

Применение туннельного диода

Осциллятор релаксации

Генератор представляет собой схему, которая генерирует изменяющуюся во времени повторяющуюся форму волны.С помощью всего нескольких компонентов и туннельного диода мы можем подключить релаксационный генератор . Осциллятор релаксации имеет форму волны с острыми краями.

Туннельный диод, два резистора, батарея и индуктор

Два резистора R1 и R2 вместе с батареей устанавливают туннельный диод на заданное напряжение в области отрицательного сопротивления. Это целевое напряжение никогда не достигается.

Форма волны генератора — это напряжение на диоде.Переключатель включен, и ток через диод увеличивается по мере того, как напряжение приближается к целевому напряжению. Из-за положительного изменения тока напряжение на катушке индуктивности продолжает увеличиваться. Это зеленая часть кривой.

Когда ток диода достигает пика, напряжение на катушке индуктивности становится положительным, что означает, что изменение тока остается положительным. Однако ток не может превышать этот пик.Диод просто входит в участок отрицательного сопротивления с отрицательной крутизной. Но ток через катушку индуктивности не может мгновенно измениться с положительного на отрицательное значение. Кроме того, на характеристической кривой диода должны быть значения i и v . Это может произойти только в том случае, если напряжение подскочит (желтая линия) до более положительного значения. Обратите внимание: для катушки индуктивности ток должен быть непрерывным, а напряжение — не обязательно.

Напряжение на катушке индуктивности равно целевому напряжению за вычетом напряжения на диоде.После скачка напряжение на диоде больше целевого напряжения. Следовательно, напряжение на катушке индуктивности отрицательное. Таким образом, ток через катушку индуктивности должен уменьшаться. Это приводит к красной линии, когда мы движемся вниз по характеристической кривой.

Ток не может продолжать уменьшаться, когда диод достигает области отрицательного сопротивления. Ток через катушку индуктивности не может внезапно переключиться с отрицательного на положительный.Таким образом, мы видим скачок напряжения по оранжевой линии. Напряжение на диоде возвращается к исходному состоянию, и цикл повторяется.

Осцилляторы релаксации используются в схемах временной развертки осциллографов и для обеспечения тактовых сигналов для логических схем.

Генератор гармоник

Добавив конденсатор параллельно катушке индуктивности, мы получаем генератор гармоник . Форма выходного сигнала более гладкая и часто синусоидальная.

Частота f формы волны зависит от индуктивности L и конденсатора C.

Например, если желаемая частота нашего генератора составляет 7,03 МГц и L = 2,0 мкГн (мкГн составляет 10-6 генри), какое значение емкости мы должны использовать?

Мы можем решить для C, чтобы получить

Подстановка значений для f и L :

Это дает нам C ≅ 2,6×10-10 фарад =.26 нФ (нФ составляет 10-9 фарад).

Краткое содержание урока

Явление квантовой механики, называемое эффектом туннелирования , происходит через барьер P-N перехода , когда полупроводниковые материалы сильно легированы примесями. Это создает область отрицательного сопротивления в туннельном диоде i v , где положительное изменение напряжения вызывает отрицательное изменение тока. Эта функция используется в двух типах осцилляторов : релаксационном осцилляторе и гармоническом осцилляторе .

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.