+7(473)277-14-34
+7(473)277-35-34
Ваша корзина
пуста

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




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



Туннельный диод



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.


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.

В перечень основных характеристик туннельного диода входят следующие:


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

Именно по этим параметрам подбираются радиокомпоненты для конкретных устройств.

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.

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.