Опыты с аналогом туннельного диода / Habr

Помимо туннельного диода, интересно провести ряд экспериментов с его функциональным аналогом, известным уже несколько десятилетий. Он подобен эмулятору на медленном железе: и квантовых эффектов настоящих нет, и быстродействие не то. Но ВАХ аналогична, как и поведение устройства в схеме.

Из КДПВ можно сделать вывод, что аналог представляет собой двухполюсник, внутри которого находится некая несложная схема. Вот она:

Автор пробовал применять транзисторы 2N3904 и 2N2222, но оказалось, что 2N4401 работают лучше. Свойства аналога можно варьировать, подбирая резистор R6. Схема импровизированного характериографа — всё та же:

И всё так же она измеряет по одному каналу суммарное напряжение на «диоде» и резисторе, а по другому — только на резисторе. Падение напряжения только на «диоде» можно определить вычитанием. А зная напряжение на резисторе, можно рассчитать ток.

Характериограф работает одинаково независимо от формы вырабатываемых генератором колебаний. Частоту автор выставил порядка 100 Гц. Аналог значительно «крепче» настоящего туннельного диода: можно не бояться вывести его из строя статикой, слегка превышенным напряжением с генератора, слишком долгой пайкой. Характеристика получилась следующей:

Отрицательное сопротивление на том практически линейном участке ВАХ, где оно есть (от 1,55 до 3,0 В), приблизительно равно -64 Ом. Ток при увеличении напряжения в этих пределах падает от 27,2 до 4,4 мА. При дальнейшем увеличении напряжения ток слегка возрастает.

Генератор на аналоге туннельного диода получается, если просто включить последовательно с ним колебательный контур и подать питание:

Расчётная частота получилась равной 5,033 кГц, реальная — 5,11 кГц. Генератор работает в диапазоне напряжений питания от 1,6 до 3,6 В, наилучшая форма колебаний получается при 3,6 В. Но при напряжении выше 2,6 В генератор не самозапускается, то есть, надо сначала запустить его при меньшем напряжении, которое затем плавно увеличить до оптимального. Амплитуда колебаний превышает напряжение питания: при 3,5 В она равна 4,3 В.

Конденсатор параллельно питанию при такой низкой частоте необязателен.

Усилитель напряжения на аналоге туннельного диода совсем необычен: он питается усиливаемым сигналом, и амплитуда на выходе получается чуть больше, чем на входе. Чтобы получить такой усилитель, достаточно добавить к устройству два резистора: 51-омный уменьшает выходное сопротивление генератора до 25 Ом, 30-омный — нагрузочный:

Подаём прямоугольные импульсы, подстраиваем амплитуду, и внезапно видим:

Амплитуда на входе — 1,26 В, на выходе — 1,84 В.

Конечно, чуда не произошло, автор добавил к входному сигналу и отрегулировал некий «offset». Очевидно, в имеющемся у него генераторе есть функция смещения сигнала вверх добавлением к нему постоянной составляющей. За счёт этого выходная амплитуда и получилась больше входной, хотя в схеме отсутствуют любые ёмкости и индуктивности, кроме паразитных. Но усиление по переменной составляющей налицо.

22. Полупроводниковые диоды. Туннельные, обращенные и диоды шоттке.

В пограничном слое двух полупроводников с различным характером электропроводности при одном направлении тока дырки и электроны движутся навстречу друг другу, и при их встрече происходит рекомбинация. В цепи, таким образом, протекает ток (рис. 12.4 а).

Если изменить направление тока на обратное (рис.12.4 б), то изменится и направление движения дырок и электронов. Носители зарядов при этом не приближаются к граничной поверхности полупроводников, а удаляются от нее.

Врезультате в пограничной области образуется слой, лишенный свободных носителей зарядов. Постоянный ток через этот слой проходить не может. В реальных условиях очень малый ток проходит через этот слой вследствие наличия в полупроводнике, наряду с примесной, некоторой собственной электропроводности. Однако сопротивление цепи в этом случае (рис. 12.4 б) во много раз больше, чем в предыдущем случае (рис. 12.4 а).

Электронно-дырочный, или p—n, переход представляет собой электрический переход между p и n зонами полупроводника. Электронный прибор с таким переходом называется полупроводниковым диодом. Он обладает односторонней проводимостью. Все полупроводниковые диоды по конструктивному исполнению делят на точечные и плоскостные. Точечный диод состоит из пластины германия или кремния с электропроводностью n-типа и вплавленной в нее стальной проволочкой (рис. 12.5 а). У точечного диоды линейные размеры

p—n — перехода много меньше его толщины. Из-за малой площади контакта прямой ток таких диодов, а также их межэлектродная емкость сравнительно малы, поэтому их используют в основном для выпрямления тока в слаботочных устройствах сверхвысокой частоты. Вольт–амперные характеристики точечных диодов приведены на рис. 12.5 б.

В плоскостных диодах p—n — переход образован двумя полупроводниками с различными токами электропроводности, причем линейные размеры перехода много больше его толщины. Площадь перехода колеблется в широких пределах: от долей мкм² до нескольких см², поэтому прямой ток плоскостных диодов составляет от единиц до тысяч ампер. Конструкция и вольт-амперные характеристики плоскостных диодов показаны на рис. 12.6 а, б.Основными параметрами диодов являются: прямой максимальный ток диода

, прямое напряжение, максимально допустимое обратное напряжение, обратный ток диода.

Туннельный диод

Обозначение на схемах

Вольт-амперная характеристика туннельного диода

Обычные диоды пропускают ток преимущественно в прямом включении и практически не пропускают при обратном. Это происходит вплоть до точки, называемой «напряжением пробоя», когда обратная проводимость резко восстанавливается. В большинстве случаев это вызывает разрушение диода (кроме диодов специального назначения — стабилитронов). В туннельном диоде степень легирования p и n областей увеличена до такой степени, что напряжение пробоя становится равным нулю, и диод проводит ток в обратном направлении. При этом, во время прямого включения имеет место т. н. «квантово-механическое туннелирование». Этот эффект создаёт на прямом участке вольт-амперной характеристики участок, где увеличение прямого напряжения сопровождается уменьшением силы тока. Эта область «отрицательного дифференциального сопротивления» используется в твердотельной версии динатронного генератора, где обычно применяется электровакуумный тетрод.

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

Наибольшее распространение на практике получили туннельные диоды из германия и арсенида галлия. 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.

Обращенный диод — диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении.

Принцип действия обращенного диода основан на использовании туннельного эффекта. Но в обращенных диодах концентрацию примесей делают меньше, чем в обычных туннельных. Поэтому контактная разность потенциалов у обращенных диодов меньше, а толщина р-n- перехода больше. Это приводит к тому, что под действием прямого напряжения прямой туннельный ток не создается. Прямой ток в обращенных диодах создается инжекцией не основных носителей зарядов через р-n- переход, т.е. прямой ток является диффузионным. При обратном напряжении через переход протекает значительный туннельный ток, создаваемый перемещение электронов сквозь потенциальный барьер из р- области в n-область. Рабочим участком ВАХ обращенного диода является обратная ветвь.

Таким образом, обращенные диоды обладают выпрямляющим эффектом, но пропускное (проводящее) направление у них соответствует обратному включению, а запирающее (непроводящее) — прямому включению.

Обращенные диоды применяют в импульсных устройствах, а также в качестве преобразователей сигналов (смесителей и детекторов) в радиотехнических устройствах.

Дио́д Шо́ттки (назван в честь немецкого физика Baльтера Шоттки) — полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки (вместо p-n перехода, как у обычных диодов). Допустимое обратное напряжение промышленно выпускаемых диодов Шоттки ограничено 250 В (MBR40250 и аналоги), на практике большинство диодов Шоттки применяется в низковольтных цепях при обратном напряжении порядка единиц и нескольких десятков вольт.

Изображения не схемах

Туннельные и обращенные диоды: Туннельные диоды

 

Туннельный переход электронов через \(p\)-\(n\)-переход возможен, если толщина перехода мала и энергетическим уровням, заполненным электронами в одной области, соответствуют такие же свободные разрешенные энергетические уровни в соседней области. Эти условия выполняются в переходах, образованных полупроводниками с высокой концентрацией примесей (вырожденные полупроводники). При этих условиях ширина \(p\)-\(n\)-перехода очень мала, что обусловливает высокую напряженность электрического поля в переходе и вероятность туннельного прохождения электронов через его потенциальный барьер.

Туннельный диод — это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперной характеристике при прямом напряжении участка отрицательной дифференциальной проводимости. Вольт-амперная характеристика туннельного диода приведена на рис. 2.7‑1.

 

Рис. 2.7-1. Вольт-амперная характеристика туннельного диода

 

Туннельный ток может проходить через переход в обоих направлениях. Однако в области прямого смещения туннельный ток сначала резко растет, а достигнув некоторого максимального значения, затем резко убывает. Снижение тока связано с тем, что с увеличением напряженности электрического поля в переходе в прямом направлении уменьшается число электронов, способных совершить туннельный переход. При некотором значении прямого напряжения число таких электронов становится равным нулю и туннельный ток исчезает совсем. Дальнейшее увеличение прямого напряжения оказывает влияние только на прямой диффузионный ток, который увеличивается с ростом напряжения также, как и у обычных выпрямительных или универсальных диодов. В области обратного смещения у туннельных диодов наблюдается только резкий рост туннельного тока при увеличении обратного напряжения.

Ввиду очень малой толщины \(p\)-\(n\)-перехода туннельного диода время перехода электронов через него очень мало, поэтому туннельный диод в области малых напряжений — практически безынерционный прибор. Его частотные характеристики определяются в основном барьерной емкостью перехода и различными утечками.

Наличие на вольт-амперной характеристике туннельного диода участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением (отношение приращения напряжения к приращению тока) позволяет использовать диод в усилителях и генераторах электрических колебаний, а также в разнообразных импульсных устройствах, что тем более оправдано, учитывая высокое быстродействие туннельных диодов. Качественные показатели таких устройств определяются длиной и линейностью участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на ВАХ диода. В зависимости от того, для применения в каких из перечисленных выше устройств они предназначены, туннельные диоды делятся на

усилительные, генераторные и переключательные.

Каждый из типов туннельных диодов имеет свои особенности. Например, для генераторных диодов очень важна линейность участка отрицательного дифференциального сопротивления, поскольку это обеспечивает отсутствие гармоник в генерируемом сигнале, а для переключательных диодов наиболее важной является крутизна этого участка.

Поскольку для изготовления туннельных диодов используются вырожденные полупроводники, по характеру проводимости приближающиеся к металлам, рабочая температура этих диодов приближается к 400 °C. Однако из-за низких рабочих напряжений и малых площадей переходов туннельные диоды имеют очень маленькую мощность.

 

 

< Предыдущая		Следующая >

2.8.6 Туннельные диоды

В туннельных и обращённых диодах используется туннельный эффект в вырожденных полупроводниках, в которых этот эффект наблюдается при малых прямых напряжениях.

Вырожденные полупроводники – полупроводники с высокой степенью концентрации носителей заряда (N = ).

Мы получаем очень малую толщину p-n-перехода. Поэтому туннельный пробой наблюдается при прямых напряжениях p-n-перехода. На прямой ветви ВАХ появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ток падает).

При нулевом напряжении внутри этого диода наблюдается туннельный эффект за счёт высокой концентрации примесей.

В точке 2 туннельный эффект практически исчезает.

В точке 3 практически все носители участвуют в инжекции.

При обратном включении улучшаются условия для туннелирования.

0 → 3 – инжекционный ток;

2 → 4 – туннельный эффект.

Такая ВАХ появляется в результате наложения двух характеристик.

Важной особенностью туннельного диода является наличие участка 1-2. Этот участок может быть использован как для генерации колебаний, так и для усиления высокочастотных сигналов.

− пиковый ток;

− ток впадины, минимальный ток через диод.

Чем больше , тем лучше диод.

Для арсенидо-галлиевых туннельных диодов: = 100-150 мВ,= 400-500 мВ.

Для германиевых туннельных диодов: = 40-50 мВ,= 250-300 мВ.

Существенное преимущество туннельного диода – это высокие частотные свойства.

На участке 1-2 наблюдается эффект туннелирования и здесь не происходит накопления неосновных носителей заряда. Инжекционный ток равен нулю. Диод может работать на частотах вплоть до сотен ГГц. Частотные свойства диода ограничены паразитными ёмкостями.

До недавнего времени это был единственный прибор, работающий в диапазоне ГГц.

2.8.7 Обращённые диоды

В обращённых диодах используются полупроводники с критической концентрацией примесей, в которых туннельный эффект проявляется уже при нулевых напряжениях p-n-перехода.

ВАХ обращённого диода:

Обратная ветвь ВАХ обращённого диода эквивалентна обратной ветви ВАХ туннельного диода.

При небольших напряжениях протекают большие токи.

При прямых напряжениях туннельный эффект практически отсутствует. Заметная инжекционная составляющая появляется при больших напряжениях, порядка сотен вольт.

Обращённые диоды используются для выпрямления. Способны работать на частотах до нескольких сотен ГГц. Мало чувствительны к радиации. Могут работать в “загрязнённых зонах” (реактор, космос).

.

2.9 Маркировка диодов

1N

1 − количество p-n-переходов;

N − серия полупроводника.

Например:

1N2784 – более старый;

1N521 – более новый.

Диод имеет 5 позиций.

1-я позиция (буква или цифра и буква) указывает на материал, из которого сделан прибор.

1, 2, 3 – приборы военного применения (шире температурный режим).

Г, К, А – (материал прибора соответственно: германий, кремний, арсенид галлия) – приборы бытового применения.

2-я позиция указывает на класс прибора.

Д – диод;

C – стабилитрон;

Т – транзистор;

У – тиристор;

Л – излучатель (фотоэлектронный прибор).

3-я позиция указывает на частотные и мощностные характеристики приборов. В стабилитронах указывает на мощность или напряжение стабилизации.

4-я позиция – две или три цифры, указывающие на серийный номер.

5-я позиция – дополнительная информация.

2Д213А – для военного применения кремниевый диод средней мощности.

3-я позиция в диодах указывает на мощность и частотные свойства. Итак:

1 – выпрямительные диоды малой мощности;

2 – выпрямительные диоды средней и большой мощности;

3 – магнитодиоды;

4, 5 – импульсные диоды;

6 – СВЧ-диоды.

В стабилитронах 3-я позиция указывает на диапазон напряжения стабилизации и мощность прибора. Итак:

1 – 4 – 7 − напряжение стабилизации от 0 до 9,9 В;

2 − 5 − 8 − напряжение стабилизации от 10 до 99,9 В;

3 − 6 − 9 − напряжение стабилизации от 100 до 200 В.

1, 2, 3 – приборы малой мощности;

4, 5, 6 – приборы средней мощности;

7, 8, 9 – приборы большой мощности.

4-я позиция в стабилитронах – две цифры, указывающие на напряжение стабилизации.

5-я позиция – буквы:

Ж – прецизионный стабилитрон;

А – прибор общего применения.

2С515А – военного применения стабилитрон = 15 В средней мощности.

Ещё встречаются старые приборы.

Д – диод. Далее идут цифры, указывающие на материал:

1 – германиевые диоды;

2 – кремниевые выпрямительные диоды малой мощности;

3 – германиевые импульсные диоды;

4 – стабилитроны.

Туннельные и обращенные диоды: Параметры туннельных и обращенных диодов

 

К основным параметрам туннельных диодов относятся: напряжение пика (\(U_п\)), ток пика (\(I_п\)), напряжение впадины (\(U_в\)), ток впадины (\(I_в\)), отношение токов (\(I_п/I_в\)), напряжение раствора (\(U_{рр}\)), а также некоторые другие, характеризующие ВАХ диода и его импульсные свойства.

Обращенные диоды имеют те же параметры, что и туннельные, за исключением некоторых характеристик ВАХ.

Напряжение пика (\(U_п\)) и пиковый ток (\(I_п\)). На ВАХ туннельного диода имеются точки, в которых значение дифференциальной активной проводимости равно нулю. Одна из них находится в вершине изгиба (холма) на прямой ветви ВАХ. Значения тока и напряжения, характеризующие эту точку ВАХ, называются током пика (\(I_п\)) и напряжением пика (\(U_п\)).

Напряжение впадины (\(U_в\)) и ток впадины (\(I_в\)). Второй точкой на ВАХ туннельного диода, в которой значение дифференциальной активной проводимости равно нулю, является точка, находящаяся в нижней точке впадины на прямой ветви ВАХ. Значения тока и напряжения, характеризующие эту точку ВАХ, называются током впадины (\(U_в\)) и напряжением впадины (\(I_в\)).

Отношение токов (\(I_п/I_в\)). Для описания ВАХ туннельного диода удобно оперировать не только абсолютными значениями токов и напряжений в ее ключевых точках, но и таким параметром, как отношение пикового тока к току впадины (\(I_п/I_в\)), который характеризует степень возможного изменения тока прибора при работе на отрицательной ветви ВАХ.

Напряжение раствора (\(U_{рр}\)). Значение прямого напряжения на второй восходящей ветви ВАХ туннельного диода, при котором ток равен пиковому току диода, называется напряжением раствора (\(U_{рр}\)). Для обращенных диодов напряжение раствора фактически задает максимальную амплитуду сигнала подаваемого на диод, поскольку при ее превышении обращенный диод перестает проявлять выпрямляющие свойства и становится проводящим в обоих направлениях.

Отрицательная проводимость (\(g_{пер}\)). Проводимость, определяемая на середине падающего участка вольт-амперной характеристики, называется отрицательной проводимостью туннельного диода (\(g_{пер} = \operatorname{d}I/ \operatorname{d}U\)). Отрицательная проводимость характеризует крутизну участка спада на ВАХ прибора и имеет значение при использовании туннельных диодов в самых разных режимах работы.

Предельная резистивная частота (\(f_r\)). Учитывая, что переход туннельного диода имеет некоторую зависящую от напряжения емкость, а также то, что у диода есть вполне конкретные значения сопротивления потерь и индуктивности, полное сопротивление диода с увеличением частоты изменяется. Значение частоты, при которой активная составляющая полного сопротивления туннельного диода обращается в нуль, называется предельной резистивной частотой (\(f_r\)). Это значение может быть найдено по формуле:

\( f_г = \cfrac{\left| g_{пер} \right|}{2 \pi C_д} \sqrt{\cfrac{1}{\left| g_{пер} \right| r_п} — 1} \), где \(r_п\) — сопротивление потерь диода.

Максимальным значение предельной резистивной частоты получается, если \(r_п = \cfrac{1}{2 \left| g_{пер} \right|}\), при этом \(f_{r max} = \cfrac{1}{(4 \pi r_п C_д)}\). Т.е. частотные свойства туннельного диода определяются его постоянной времени \(\tau = r_п C_д\).

 

Рис. 2.7-1. Специальные параметры туннельных и обращенных диодов

 

 

< Предыдущая		Следующая >