Туннельные диоды: устройство, принцип и режимы работы, параметры, применение

Рис 1. Внешний вид туннельных диодов.

Данные радиокомпоненты получили своё название из-за того, что их функциональность обеспечивается так называемым туннельным эффектом. Это квантовое явление наблюдается в специально подготовленных полупроводниках и состоит в том, что при приложении некоторого прямого смещения электроны проходят через p-n-переход в обратном направлении. По всем параметрам это явление противоречит физике. Однако туннельный эффект не только существует, но и успешно применяется в создании полезных радиотехнических устройств.

Принцип работы

При подаче прямого напряжения туннельный диод демонстрирует необычный характер изменения тока.
После начального резкого роста ток снижается, создавая область отрицательного сопротивления.
Это явление обусловлено квантовым туннелированием электронов через тонкий потенциальный барьер, формируемый областью перехода.​

К основным параметрам туннельных диодов относятся следующие

 ●  пиковый ток и ток впадины;
 ●  пиковое напряжение и напряжение впадины;
 ●  удельная ёмкость;
 ●  резистивная и резонансная частоты.
Именно по этим параметрам подбираются радиокомпоненты для конкретных устройств.

Рис.2 Обозначение туннельного диода на принципиальных электрических схемах.

Вырожденные полупроводники

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

Отрицательное сопротивление

Согласно закону Ома классическая зависимость силы тока и напряжения носит прямо пропорциональный характер – чем выше прикладываемая к нагрузке разность потенциалов, тем больше сила тока. В туннельных диодах, в очень узком интервале входных напряжений, при увеличении прямого смещения дифференциальное сопротивление диода становится отрицательным, и ток не растёт, а, напротив, падает.
Сила тока уменьшается до некоего минимального значения, зависящего от параметров конкретного радиокомпонента. При дальнейшем повышении напряжения ток снова начинает расти, и вольт-амперная характеристика возвращается к своему обычному виду. Данное изменение силы тока выглядит как импульс, то есть поведение туннельного диода в этот момент напоминает функционирование генератора.

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

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

Узкий p-n-переход

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

Частотные свойства туннельных диодов

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

Ключевые сферы применения туннельных диодов:

● Высокочастотные устройства
Один из важнейших видов применения туннельных диодов - создание генераторов и усилителей сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов. Их высокие скоростные характеристики и широкая температурная устойчивость позволяют успешно эксплуатироваться в телекоммуникационных системах, радарах и спутниковых технологиях.
● Импульсные устройства
Благодаря наличию участка отрицательного дифференциального сопротивления, туннельные диоды широко используются в импульсных схемах, требующих быстрой обработки сигналов. Примером могут служить автоматические управляющие системы и датчики.
● Медицинское оборудование
Важную роль играют туннельные диоды в медицинской диагностике и лечении. Их ультравысокочастотные свойства полезны в современных медицинских устройствах, таких как МРТ-аппараты и медицинские диагностические комплексы.
● Космическая и оборонная промышленность
Уникальность туннельных диодов заключается в их высокой радиационной стойкости, что делает их незаменимыми элементами бортовых систем спутников и ракет. Их надёжность и долговечность помогают выдерживать экстремальные условия космоса и агрессивные внешние воздействия.
● Научные исследования
В научных исследованиях туннельные диоды играют важную роль в экспериментах по изучению квантовых эффектов, микроволновой спектроскопии и анализе сверхбыстрых электрических процессов.
● Электроника специального назначения
Среди множества вариантов полупроводниковых приборов туннельные диоды выделяются способностью работать при высоком напряжении и токах, сохраняя высокую производительность и надёжность.