Схема включения туннельного диода: Как устроен туннельный диод: характеристики, принцип работы, маркировка

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.

Генераторы и усилители на диодах

 

Полупроводниковые диоды достаточно редко используются в качестве основных элементов генераторных и усилительных узлов. Являясь в большинстве своем чисто пассивными компонентами, они просто не могут выступать в роли источника тока или напряжения, необходимых для любого генератора или усилителя. Однако существует достаточно немногочисленный ряд случаев, когда при применении полупроводниковых диодов определенных типов (туннельные диоды, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды, параметрические диоды) возможно построение диодных усилительных и генераторных схем.

Такие полупроводниковые приборы как: туннельные диоды, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды объединяет одно свойство — наличие на ВАХ прибора при определенных условиях участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. В каждом из названных приборов физические эффекты, обусловливающие появление такого участка различны. В туннельном диоде — это резкий спад туннельного эффекта при росте напряженности электрического поля в полупроводнике выше некоторого критического значения, в диоде Ганна — особенности зонной структуры арсенида-галлия, в лавинно-пролетном диоде — специфика лавинного пробоя при высоких частотах приложенного напряжения. Следует отметить, что названные случаи не являются единственными. Примером может служить широко известный и популярный в 30-х гг.

кристадин Лосева, также представлявший собой полупроводниковый диод введенный в особый режим пробоя.

На сегодняшний день набольшее распространение получили диодные автогенераторы диапазона СВЧ. В них используются диоды Ганна и лавинно-пролетные диоды. При определенных условиях такие генераторы могут быть преобразованы в усилители и использоваться для резонансного усиления СВЧ сигналов. Однако ввиду повышенного уровня шумов и практической нерациональности усилители на диодах Ганна и лавинно-пролетных диодах применяются крайне редко.

Особый вид усилительных устройств диапазона СВЧ — это т.н. параметрические усилители. Они строятся на основе специальных параметрических диодов. Принцип работы таких усилителей очень близок к тому, как работают описанные выше диодные смесители. На параметрический диод, также как и в смесителях, подается два сигнала. При определенном согласовании этих сигналов и правильном выборе режима работы диода удается на нелинейной проводимости или емкости диода осуществить перераспределение мощности падающих сигналов в пользу одного из них (полезного). Одновременно возможно и преобразование частоты этого сигнала. Параметрические усилители диапазона СВЧ очень сложны в настройке и достаточно нестабильны. Их основное достоинство — уникально низкий уровень шумов. Поэтому они чаще всего используются в радиотелескопах и системах дальней космической связи.

Наибольший интерес и практическую ценность могут представлять туннельные диоды. Генераторные и усилительные устройства на их основе могут быть использованы в радиоприемниках, радиомикрофонах, измерительной аппаратуре и т.п.

Упрощенная схема автогенератора на туннельном диоде представлена на рис. 3.6-42.

 

Рис. 3.6-42. Упрощенная схема автогенератора на туннельном диоде

 

Так как на ВАХ туннельного диода имеется участок с отрицательным сопротивлением устойчивым по напряжению, то при подключении к нему параллельного колебательного контура он может генерировать. При этом отрицательное сопротивление диода будет компенсировать потери, и в контуре могут возникнуть и поддерживаться незатухающие колебания. Современные туннельные диоды могут генерировать на частотах до 1 ГГц и более. Однако из-за небольшой величины участка ВАХ диода с отрицательным сопротивлением мощность, отдаваемая им на любых частотах, составляет доли милливатт. Чтобы форма генерируемых колебаний не искажалась, как правило, применяют частичное включение диода в контур генератора. Основным условием генерации является превышение величины сопротивления потерь контура над величиной отрицательного сопротивления туннельного диода. Учитывая, что параллельное сопротивление потерь в реальных колебательных контурах значительно превышает отрицательное сопротивление туннельного диода, используется частичное включение диода в контур (через отвод катушки).

На внутреннем сопротивлении источника смещения будет выделяться часть мощности генерируемых колебаний, поэтому оно должно быть как можно меньше. Поскольку требуемая величина напряжения смещения очень мала (например, для германиевых туннельных диодов порядка 0,1…0,15 В), питание туннельных диодов обычно осуществляется от делителя напряжения (рис. 3.6-43). Однако это может привести к неэкономному расходованию мощности источника питания (что важно для сверхминиатюрных устройств). Поэтому для питания туннельных диодов следует применять источники с возможно более низким выходным напряжением. Выходное сопротивление делителя напряжения выбирают в пределах 5…10 Ом, и только в устройствах, где требуется наибольшая экономичность, его можно повысить до 20…30 Ом. Отрицательное сопротивление туннельного диода должно превышать сопротивление делителя в 5…10 раз. Шунтировать столь малые сопротивления конденсаторами для уменьшения потерь высокочастотной энергии нецелесообразно, так как в ряде случаев это может привести к неустойчивой работе генератора, особенно, если его режим подбирался по максимуму отдаваемой мощности. Следует учитывать, что для стабильной работы генератора нужно поддерживать стабильное положение рабочей точки диода. При изменении величины питающего напряжения хотя бы на 10 % (например, из-за разрядки химического элемента питания) нормальная работа генератора может нарушиться. Иногда целесообразно использовать предварительно стабилизированное напряжение или применять в делителе нелинейные сопротивления (в верхнем плече стабилизирующие ток, а в нижнем — напряжение). Так, если в схеме автогенератора (рис. 3.6-43) вместо сопротивления R2 применить маломощный германиевый диод в прямом включении, как это показано на рис. 3.6-44, стабильность работы генератора улучшится, и при изменении напряжения питания в пределах 1…1,5 В никаких дополнительных регулировок не потребуется.

 

Рис. 3.6-43. Схема автогенератора на туннельном диоде с питанием от делителя напряжения

 

Рис. 3.6-44. Схема автогенератора на туннельном диоде с нелинейным сопротивлением в цепи питания

 

Все упомянутые выше способы стабилизации напряжения несколько усложняют схемы, а в ряде случаев увеличивают потребляемую мощность, поэтому широкого применения они не находят. В реальной аппаратуре туннельные диоды чаще всего применяются совместно с транзисторами. Известно, что у транзистора ток эмиттера сравнительно мало зависит от напряжения питания коллектора, особенно если смещение транзистора стабилизировано каким-либо способом. Поэтому при питании диода эмиттерным током транзистора можно получить выигрыш не только в стабильности, но и в экономичности. Последняя повышается здесь из-за того, что потери на верхнем плече делителя устраняются, а дополнительная мощность, потребляемая туннельным диодом, невелика.

На рис. 3.6-45, 3.6-46, 3.6-47 представлены три примера применения генератора на туннельном диоде. При проектировании таких генераторов следует стремиться получить максимальную добротность колебательного контура с тем, чтобы увеличить мощность, отдаваемую в нагрузку.

 

Рис. 3.6-45. Простейший передатчик на туннельном диоде

 

Рис. 3.6-46. Улучшенная схема передатчика на туннельном диоде

 

Рис. 3.6-47. Гетеродин на туннельном диоде

 

Для увеличения мощности можно также включить два или большее число диодов в схему генератора (рис. 3.6-48). При этом диоды лучше всего соединять по постоянному току последовательно. Тогда напряжение на нижнем сопротивлении делителя должно быть вдвое больше, чем для одного туннельного диода, т.е. потери на верхнем плече уменьшаются. Нужно иметь ввиду, что сопротивление нижнего плеча должно обязательно состоять из двух одинаковых сопротивлений, а их средняя точка должна быть соединена по постоянному току со средней точкой двух диодов. В противном случае, устойчивая работа двух соединенных последовательно диодов невозможна. По переменному току можно соединить диоды параллельно или последовательно. В схеме приведенной на рис. 3.6-48 каждый диод подключен к отдельной обмотке. Чтобы получить наибольшую мощность, связь каждого диода с контуром следует регулировать индивидуально.

 

Рис. 3.6-48. Автогенератор на двух туннельных диодах

 

Генератор на туннельном диоде может строиться и с применением кварцевого резонатора, задающего частоту колебаний. Пример такой схемы приведен на рис. 3.6-49.

 

Рис. 3.6-49. Автогенератор на туннельном диоде с кварцевым резонатором

 

 

< Предыдущая		Следующая >

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

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.

35. Туннельные диоды. Принцип действия и основные параметры.

Предложенный в 1958 г. японским ученым Л. Ёсаки туннельный диод изго­товляется из германия или арсенида галлия с высокой концентрацией примесей (1019— 1020 см~3), т.е. с очень малым удельным сопротивлением, в сотни или тысячи раз меньшим, чем в обычных диодах. Такие полупроводники с малым сопротивлением называют вырожденными. Электронно-дырочный переход в вырож­денном полупроводнике получается в десятки раз тоньше (10~6 см), чем в обыч­ных диодах, а потенциальный барьер примерно в два раза выше. В обычных полупроводниковых диодах высота потенциального барьера равна примерно поло­вине ширины запрещенной зоны, а в туннельных диодах она несколько больше этой ширины. Вследствие малой толщины перехода напряженность поля в нем даже при отсутствии внешнего напряжения достигает 106 В/см.

В туннельном диоде, как и в обычном, происходит диффузионное пере­мещение носителей через электронно-дырочный переход и обратный их дрейф под действием поля. Но кроме этих процессов основную роль играет туннель­ный эффект. Он состоит в том, что в соответствии с законами квантовой физики при достаточно малой толщине потенциального барьера имеется воз­можность для проникновения электронов через барьер без изменения их энергии. Такой туннельный переход электронов с энергией, меньшей высоты барьера (в электрон-вольтах), совершается в обоих направлениях, но только при условии, что по другую сторону барьера для туннелирующих электронов имеются сво­бодные уровни энергии. Подобный эффект невозможен с точки зрения класси­ческой физики, в которой электрон рассматривается как частица материи с отри­цательным зарядом, но оказывается вполне реальным в явлениях микромира, подчиняющихся законам квантовой механики, согласно которым электрон имеет двойственную природу: с одной стороны, он является частицей, а с другой сто­роны, он может проявлять себя как электромагнитная волна. Но электромаг­нитная волна может проходить через потенциальный барьер, т. е. через область электрического поля, не взаимодействуя с этим полем.

Процессы в туннельном диоде удобно рассматривать на энергетических диаграммах, показывающих уровни энергии валентной зоны и зоны проводи­мости в п- и р-областях. Вследствие возникновения контактной разности потен­циалов в n—p-переходе границы всех зон в одной из областей сдвинуты отно­сительно соответствующих зон другой области на высоту потенциального барьера, выраженную в электрон-вольтах.

На рис. 8-1 с помощью энергетических диаграмм изображено возникнове­ние туннельных токов в электронно-дырочном переходе туннельного диода. Для того чтобы не усложнять рассмотрение туннельного эффекта, диффузионный ток и ток проводимости на этом рисунке не показаны. Диаграмма рис. 8-1, а соот­ветствует отсутствию внешнего напряжения. Высота потенциального барьера взята для примера 0,8 эВ, а ширина запрещенной зоны составляет 0,6 эВ. Горизон­тальными линиями в зоне проводимости и в валентной зоне показаны энергети­ческие уровни, полностью или частично занятые электронами. В валентной зоне и зоне проводимости изображены также незаштрихованные горизонтальными линиями участки, которые соответствуют уровням энергии, не занятым электро­нами. Как видно, в зоне проводимости полупроводника n-типа и в валентной зоне полупроводника р-типа имеются занятые электронами уровни, соответствующие одинаковым энергиям. Поэтому может происходить туннельный переход электронов из области п в область р (прямой туннельный ток inp) и из области р в область п (обратный туннельный ток /обр). Эти два тока одинаковы по зна­чению, и результирующий ток равен нулю.

На рис. 8-1,6 показана диаграмма при прямом напряжении 0,1 В, за счет которого высота потенциального барьера понизилась на 0,1 эВ и составляет 0,7 эВ. В этом случае туннельный переход электронов из области п в область р усиливается, так как в области р имеются в валентной зоне свободные уровни, соответствующие таким же энергиям, как энергии уровней, занятых электронами в зоне проводимости области п. А переход электронов из валентной зоны области р в область и невозможен, так как уровни, занятью электронами в валентной зоне области р, соответствуют в области п энергетическим уровням запрещен­ной зоны. Обратный туннельный ток отсутствует, и результирующий туннельный ток достигает максимума. В промежуточных случаях, например когда ипр = 0,05 В, существуют и прямой и обратный туннельный токи, но обратный ток меньше прямого. Результирующим будет прямой ток, но он меньше максимального, получающегося при мпр = 0,1 В.

Случай, показанный на рис. 8-1, в, соответствует ипр = 0,2 В, когда высота потенциального барьера стала 0,6 эВ. При этом напряжении туннельный переход невозможен, так как уровням, занятым электронами в данной области, соответ­ствуют в другой области энергетические уровни, находящиеся в запрещенной зоне. Туннельный ток равен нулю. Он отсутствует также и при большем прямом напряжении.

Следует помнить, что при возрастании прямого напряжения увеличивается прямой диффузионный ток диода. При рассмотрен­ных значениях ипр < 0,2 В диффузионный ток гораздо меньше туннельного тока, а при ипр > 0,2 В диффузионный ток возрастает и достигает значений, характерных для прямо­го тока обычного диода.

На рис. 8-1, г рассмотрен случай, когда обратное напряжение мобр = 0,2 В. Высота потенциального барьера стала 1 эВ, и значительно увеличилось число уровней, занятых электронами в валентной зоне р-области и соответствующих свободным уровням в зоне проводимости n-области. Поэтому резко возрастает обратный туннельный ток, который получается такого же порядка, как и ток при прямом напряжении.

Как видно, при u=0 ток равен нулю. Увеличение прямого напряжения до U_П В дает возрастание прямого туннельного тока до максимума I_п (точка А). Дальнейшее увеличение прямого напряжения до U_В В сопровождается уменьшение туннельного тока, поэтому в точке Б получается минимум тока и характеристика имеет падающий участок АБ, для которого R_i<0.

После этого участка ток снова возрастает за счёт диффузионного прямого тока, характеристика показана штриховой линией. Обратный ток получается такой же, как прямой, т.е. во много раз больше, нежели у обычных диодов.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода (рис. 8-2) поясняет рас­смотренные диаграммы. Как видно, при и = 0 ток равен нулю. Увеличение прямого напряжения до 0,1 В дает возрастание прямого туннельного тока до максимума (точка А). Дальнейшее увеличение прямого напряжения до 0,2 В сопровождается уменьшением туннельного тока. Поэтому в точке Б получается минимум тока и характеристика имеет падающий участок АБ, для которого характерно отрицательное сопротивление переменному току

Rt = Au/Ai<0. (8-1)

После этого участка ток снова возрастает за счет диффузионного прямого тока, характеристика которого на рис. 8-2 показана штриховой линией. Обратный ток получается такой же, как прямой, т. е. во много раз больше, нежели у обычных диодов.

Основные параметры туннельных диодов — это ток максимума /тах, ток минимума /min (часто указывается отношение 1тлх/1т-1П, которое бывает равно нескольким единицам), напряжение максимума Uх, напряжение минимума U2, наибольшее напряжение L3, соответствующее току /тах на второй восходящей части характеристики (участок БВ). Разность AU = V’3 — U\ называется напря­жением переключения или напряжением скачка. Токи в современных туннельных диодах составляют единицы миллиампер, напряжения — десятые доли вольта. К параметрам также относятся отрицательное дифференциальное сопротивление диода (обычно несколько десятков ом), общая емкость диода (единицы или десятки пикофарад), время переключения тпк и максимальная или критическая частота /тах.

Включая туннельный диод в различные схемы, можно его отрицательным сопротивлением скомпенсировать положительное активное сопротивление (если рабочая точка будет находиться на участке АБ) и получить режим усиления или генерации колебаний. Например, в обычном колебательном контуре за счет потерь всегда имеется затухание. Но с по­мощью отрицательного сопротивления туннельного диода можно уничтожить потери в контуре и получить в нем незатухающие колебания. Простейшая схема генератора колебаний с туннельным диодом показана на рис. 8-3.

Работу такого генератора можно объяснить следующим образом. При вклю­чении питания в контуре LC возникают свободные колебания. Без туннельного диода они затухли бы. Пусть напряжение Е выбрано таким, чтобы диод работал на падающем участке характеристики, и пусть во время одного полупериода переменное напряжение контура имеет полярность, показанную на рисунке зна­ками « + » и « —» без кружков (знаки « + » и « —» в кружках относятся к по­стоянным напряжениям). Напряжение от контура подается на диод и является для него обратным. Поэтому прямое напряжение на диоде уменьшается. Но за счет работы диода на падающем участке ток возрастает, т. е. пройдет допол­нительный импульс тока, который добавит энергию в контур. Если эта допол­нительная энергия достаточна для компенсации потерь, то колебания в контуре станут незатухающими.

Туннельный переход электронов сквозь потенциальный барьер происходит в чрезвычайно малые промежутки времени: 10~12 — 10~14с, т.е. 10~3— 10~5 не. Поэтому туннельные диоды хорошо работают на сверхвысоких частотах. Напри­мер, можно генерировать и усиливать колебания с частотой до десятков и даже сотен гигагерц. Следует заметить, что частотный предел работы туннельных диодов практически определяется не инерционностью туннельного эффекта, а емкостью самого диода, индуктивностью его выводов и его активным сопро­тивлением.

Принцип усиления с туннельным диодом показан на рис. 8-4. Для получения режима усиления необходимо иметь строго определенные значения Е и RH. Сопро­тивление RH должно быть немного меньше абсолютного значения отрицатель­ного сопротивлений диода. Тогда при отсутствии входного напряжения исходная рабочая точка Т может быть установлена на середине падающего участка (эта точка является пересечением линии нагрузки с характеристикой диода). При подаче входного напряжения с амплитудой Umm линия нагрузки будет совер­шать колебания, перемещаясь параллельно самой себе. Крайние ее положения показаны штриховыми линиями. Они определяют конечные точки рабочего участка АБ. Проектируя эти точки на ось напряжений, получаем амплитуду выходного напряжения UmBbn, которое оказывается значительно больше входного. Особенностью усилителя на туннельном диоде является отсутствие отдельных входной и выходной цепей, что создает некоторые трудности при осуществлении схем с несколькими каскадами усиления. Усилители на туннельных диодах могут давать значительное усиление при невысоком уровне шумов и работают устойчиво.

Туннельный диод используется также в качестве быстродействующего пе­реключателя, причем время переключения может быть около 10″9 с, т. е. около 1 не, и даже меньше. Схема работы туннельного диода в импульсном режиме в простейшем случае такая же, как на рис. 8-4, но только входное напряжение представ­ляет собой импульсы, а сопротивление RH должно быть несколько больше абсолютного значения отрицательного сопротивления диода. На рис. 8-5 показан импульсный режим работы туннельного диода. Напряжение питания Е выбрано таким, что при от­сутствии входного импульса диод работает в точке А и ток получается макси­мальным (/тах), т. е. диод открыт. При подаче положительного импульса вход­ного напряжения прямое напряжение на диоде увеличивается и режим работы диода скачком переходит в точку Б. Ток уменьшается до минимального значе­ния /min, что условно можно считать закрытым состоянием диода. А если устано­вить постоянное напряжение £, соответствующее точке Б, то можно переводить диод в точку А подачей импульсов напряжения отрицательной полярности.

Туннельные диоды могут применяться в технике СВЧ, а также во многих импульсных радиоэлектронных устройствах, рассчитанных на высокое быстродей­ствие. Помимо весьма малой инерционности достоинством туннельных диодов является их стойкость к ионизирующему излучению. Малое потребление энергии от источника питания также во многих случаях следует считать достоинством этих диодов. К сожалению, эксплуатация туннельных диодов выявила существен­ный их недостаток. Он заключается в том, что эти диоды подвержены значи­тельному старению, т. е. с течением времени их характеристики и параметры заметно изменяются, что может привести к нарушению нормальной работы того или иного устройства. Надо полагать, что в дальнейшем этот недостаток удастся свести к минимуму.

Если для диода применить полупроводник с концентрацией примеси около 1018 см”3, то при прямом напряжении туннельный ток практически отсутствует и в вольт-амперной характеристике нет падающего участка (рис. 8-6). Зато при обратном напряжении туннельный ток по-прежнему значителен, и поэтому такой диод хорошо пропускает ток в обратном направлении. Подобные диоды, полу­чившие название обращенных, могут работать в качестве детекторов на более высоких частотах, нежели обычные диоды.

Все туннельные диоды имеют весьма малые размеры. Например, они могут быть оформлены в цилиндрических герметичных металлостеклянных корпусах диаметром 3 — 4 мм и высотой около 2 мм. Выводы у них гибкие ленточные. Масса не превышает 0,15 г.

В настоящее время разрабатываются новые типы туннельных диодов, иссле­дуются новые полупроводниковые материалы для них и вопросы замедления старения.

Полупроводниковые диоды.

П.п.диоды – это электропреобразовательный п.п.прибор, с одним выпрямляющим электрическим p-n-переходом и двумя выводами.

Биполярный транзистор.

Биполярные транзисторы – п.п.приборы имеющие 2-а p-n-перехода, используются для усиления, генерации элек-их сигналов.

Полевой транзистор.

Полевые транзисторы – п.п.приборы, в к-ых используются п.п.материалы с различными типами электропроводимостями и к-ые образуют 1-ин p-n-переход. Применяются в качестве усилителей и генераторов на высоких частотах.

Тиристоры.

Тиристоры – п.п.приборы имеющие 3-и или более p-n-переходов и работающих в 2-х устойчивых состояниях (открытом или закрытом). Широко используется в качестве быстродействующих переключателей.

Полупр-ые фотоэлектрические приборы.

П.п.ф.э.приборы – это приборы, в к-ых используется эффект взаимодействия оптического излучения и носителей зарядов. Широко используются в сис-мах автоматики, контр.-измерительн. устр-вах, в сис-мах оптоволоконной техники, в качестве элементов солнечных батарей.

Полупр-ые микросхемы.

П.п.микросхемы – микроэлектронные устр-ва (изделия), предназначенные для преобразования электр. сигналов, все элементы и межэлементные соединения к-ых, выполнены в объёме и на поверхности п.п.кристалла.

Комбинированные неуправляемые приборы.

Комбинированные приборы – представлен различными п.п.приборами объединённые в один корпус. Широко используется в сис-мах автоматики, связи, вычислительной техники.

Диоды.

Выпрямительные диоды – в качестве выпрямления элек. перехода, используется электронно-дырочный переход (p-n-переход).

Полупроводниковые диоды: диоды плоскостные; пл.точечные диоды.

Диоды плоскостные: выпрямительные д., стабилитроны (опорный), туннельный д., варикап, светодиод ,, обращённый диод, фотодиод, фотоэлементы ; плоскостные диоды: выпрямительный диод, сверхчастотные диоды; спец. – диод Шотки.

     Стабилитроны. При рассмотрении вольт-амперной характеристики полупроводникового диода видно, что в области электрического пробоя имеется участок, который может быть использован для стабилизации напряжения. Такой участок у кремниевых плоскостных диодов соответствует изменениям обратного тока в широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя, в данном случае в режиме стабилизации, он становится такого же порядка, как и прямой ток. Стабилитроны изготавливаются исключительно из кремния, их также еще называют опорными диодами, т. к. в ряде случаев получаемое от них стабильное напряжение используется в качестве опорного. На рисунке показана ВАХ стабилитрона.

     Рис. 6 Вольт-амперная характеристика стабилитрона      Из рисунка видно, что при обратном токе напряжение стабилизации меняется незначительно. Стабилитрон работает при обратном напряжении. Принцип работы поясняет простейшая схема включения стабилитрона. Эта схема называется параметрическим стабилизатором напряжения и несмотря на свою простоту используется довольно широко. Такая схема позволяет получить ток в нагрузке в несколько миллиампер.

     Рис. 7 Схема включения стабилитрона       Нагрузка включена параллельно стабилитрону, поэтому в режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Все изменение входного напряжения будет поглощаться резистором R_огр, которое еще называют балластным. Сопротивление этого резика должно быть определенного значения и его обычно рассчитывают для средней точки Т (см. рис. 6).      Если входное напряжение будет изменяться, то будет изменяться ток стабилитрона, но напряжение на нем, следовательно и на нагрузке, будет оставаться постоянным.      Следует отметить, что если имеют место пульсации входного напряжения, то стабилитрон неплохо сглаживает их. Это объясняется тем, что стабилитрон обладает малым сопротивлением переменному току. Это сопротивление обычно во много раз меньше сопротивления R_огр, поэтому основная часть пульсаций поглощается в этом резике, а на стабилитроне и в нагрузке выделяется лишь незначительная часть их.      Стабисторы.Это полупроводниковые диоды, аналоги стабилитронов, но в отличие от последних у стабисторов используется не обратное напряжение, а прямое. Значение этого напряжение мало зависит от тока в некоторых пределах. Напряжение стабилизации стабисторов обычно не более 2 вольт, чаще всего 0,7 В при токе до нескольких десятков мА. Особенность стабисторов – отрицательный температурный коэффициент напряжения, т. е. напряжение стабилизации с повышением температуры уменьшается. Поэтому стабисторы применяют также в качестве термокомпенсирующих элементов, соединяя их с обычными стабилитронами, имеющими положительный ТКН.      Варикапы. Эти плоскостные диоды, иначе называемые параметрическими, работают при обратном напряжении, от которого зависит барьерная емкость. Другими словами, варикап – это кондер переменной емкости, управляемый не механически, а электрически.      Варикапы применяются главным образом для настройки колебательныъх контуров, а также в некоторых спешиал схемах, например, в так называемых параметрических усилителях. Вот простейшая схемка включения варикапа в колебательный контур:

     Рис. 8 Схема включения варикапа в колебательный контур в качестве кондера переменной емкости      Изменяя с помощью потенциометра R обратное напряжение на варикапе, можно менять резонансную частоту контура. Добавочный резистор R1 с большим сопротивлением включен для того, чтобы добротность контура не снижалась заметно от шунтирующего влияния потенциометра R. Кондер C_р является разделительным. Без него варикап был бы для постоянного напряжения замкнут накоротко катушкой L.      В качестве варикапов можно использовать стабилитроны с напряжением ниже напряжения стабилизации, когда обратный ток еще очень мал, а обратное сопроивление очень велико.      Мы рассмотрели основные типы полупроводниковых диодов. Существуют еще и туннельные диоды, диоды Ганна, фотодиоды и пр. О них будет рассказано в главе о специальных полупроводниковых приборах.

Биполярные транзисторы

П/п прибор с 2-мя и более переходами и с 3-мя и более выводами

Различают транзисторы проводимости:

n-p-n, p-n-p

 

  Режимы работы БТ

 

1.)Отсечка – оба перехода закрыты, обратно смещены

2.)Насыщения – оба перехода смещены прямо

3.)Активный режим – эммитеры прямо, колектор обратно

4)Активно инверсный – эммитеры обратно, колектор прямо

 

 

Активный режим. Физика работы.

Iк=aIэ+Iко   Iко-обратный ток колектора,a-коэффициент передачи тока эмитера

в – нагрузка активно-индуктивная

     Среднее значение выпрямленного напряжения при активной нагрузке (без учета потерь) где U2 – действующее значение напряжения фазы вторичной обмотки трансформатора;- постоянное напряжение при=0. Среднее значение выпрямленного напряжения при активно-индуктивной нагрузкеЗависимости, выраженные формулами (1) и (2), называются регулировочными характеристиками.      Максимальное обратное напряжение на тиристореМаксимальное прямое напряжение на тиристоре при активной нагрузкепри активно-индуктивнойВ лабораторном стенде смонтирована двухполупериодная схема выпрямителя на тиристорах с выводом нулевой точки трансформатора. Изменение активного сопротивления нагрузки осуществляется переключателем В3. Включение активной и активно-индуктивной нагрузок осуществляется переключателем В2. Величины среднего значения выпрямленного напряжения и выпрямленного тока измеряются приборами, расположенными на передней панели. Для управления тиристорами применена импульсно-фазовая схема.

Механизм работы и классификация МДП – транзисторов.

 

МДП – транзисторы отличаются от биполярных транзисторов, поскольку механизм их работы основан на перемещении только основных носителей заряда. В связи с этим их называют униполярными. Эти транзисторы имеют следующие преимущества перед биполярными: малый уровень шумов, большая стойкость к радиационным излучениям, устойчивость от перегрузок по току, высокое входное сопротивление. К недостаткам следует отнести меньшее быстродействие, худшую технологическую воспроизводимость параметров и большую временную нестабильность.

МДП – транзистор имеет четыре электрода, которые называют истоком, стоком, затвором и подложкой (рис. 1, а).

 

Рис.1. МДП – транзистор с индуцированным каналом p-типа:

а – упрощенная конструкция; б – условное обозначение.

 

Принцип действия МДП-транзистора основан на эффекте изменения электропроводности поверхностного слоя полупроводника между стоком и истоком под действием напряжения, приложенного к управляющему электроду (затвору), отделенному от поверхности полупроводника тонким слоем диэлектрика. Участок полупроводника с изменяющейся электропроводностью называют каналом и изображают на чертежах в виде скрещенных тонких линий.

Существуют две разновидности МДП – транзисторов: с встроенным каналом и с индуцированным каналом. В МДП – транзисторе с индуцированным каналом (рис. 1, а и рис. 2, а) при нулевом напряжении на затворе канал отсутствует.

 

Рис. 2. МДП – транзистор с индуцированным каналом n-типа:

а – упрощенная конструкция; б – условное обозначение.

 

Если увеличивать напряжение на затворе (по модулю), то при некотором значении напряжения затвор — исток U0, называемом пороговым напряжением, на поверхности полупроводника будет индуцироваться инверсный слой, электропроводность которого совпадает с электропроводностью истока и стока. В результате образования этого слоя, области стока и истока оказываются соединенными тонким токопроводящим каналом, и во внешней цепи возникает ток.

Структура МДП – транзистора с встроенным каналом такова, что создание канала в тонком приповерхностном слое полупроводника предусматривается самой технологией производства. Поэтому конструкция такого транзистора будет отличаться от конструкций, представленных на рис. 1, а и рис. 2, а, изображением нижней границы канала сплошной линией. Электропроводность канала обязательно совпадает с электропроводностью стока и истока. Поскольку электропроводность подложки обратна электропроводности канала, области стока, истока и канала отделены от подложки p-n-переходом. Ток в канале такого транзистора может возникать и при нулевом смещении на затворе.

Исток и сток в принципе обратимы, и их можно менять местами при включении транзистора в схему. В этом случае при симметричной структуре транзистора его параметры сохраняются, а при несимметричной структуре (сток и исток могут различаться формой, площадями) они будут отличаться.

В связи с тем, что до последнего времени наибольшее применение в цифровых ИМС получили МДП – транзисторы с индуцированным каналом, дальнейшее изложение будет относиться к транзисторам этого типа.

По электропроводности канала различают p-канальные и n-канальные МДП – транзисторы. Упрощенная конструкция этих приборов показана на рис. 1, а и рис. 2, а, а условное обозначение на электрических схемах — на рис. 1, б и рис. 2, б.

Существует классификация МДП – транзисторов по конструктивно-технологическим признакам (чаще по виду материала затвора) (см. §2.3).

Интегральные микросхемы, содержащие одновременно p-канальные и n-канальные МДП – транзисторы, называют комплементарными (сокращенно КМДП – ИМС). КМДП – ИМС отличаются высокой помехоустойчивостью, малой потребляемой мощностью, высоким быстродействием. Эти преимущества, однако, достигаются за счет более сложной технологии с меньшим выходом годных схем.

Основные параметры

Туннельные диоды.

Электроника Туннельные диоды.

просмотров – 191

В туннельных диодах используют контакт вырожденных полупроводников, на вольт-амперной характеристике которых при прямом напряжении имеется учас­ток с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 3.16, а).

Вырожденный полупроводник – ϶ᴛᴏ полупроводник, концентрация примесей в котором настолько велика, что собственные свойства практически не проявляются, а проявляются свойства примеси.

Ниже перечислены специфические параметры туннельных диодов.

1) Пиковый ток — прямой ток в точке максимума вольт-амперной характерис­тики. Его значение может находиться в интервале от десятых долей миллиам­пера до сотен миллиампер.

2) Ток впадины — прямой ток в точке минимума вольт-амперной характеристики.

3) Отношение токов — отношение пикового тока к току впадины. Для тун­нельных диодов из арсенида галлия , для германиевых туннельных диодов .

4) Напряжение пика — прямое напряжение, соответствующее пиковому току. Для туннельных диодов из арсенида галлия , для германие­вых диодов .

5) Напряжение впадины — прямое напряжение, соответствующее току впади­ны. У туннельных диодов из арсенида галлия , у германиевых диодов .

6) Напряжение раствора — прямое напряжение, большее напряжения впади­ны, при котором ток равен пиковому.

Наличие на вольт-амперной характеристике участка с отрицательным дифферен­циальным сопротивлением позволяет применять туннельные диоды для усиле­ния, генерирования, переключения и преобразования электрических колебаний. На рис. 3.17, а в качестве примера показана схема включения туннельного диода как усилителя, а на рис. 3.17, б представлена диаграмма, поясняющая принцип ее работы.

Сопротивление нагрузочного резистора в схеме меньше отрицательного сопротивления диода. В этом случае небольшое изменение входного напряжения приводит к появлению значительного напряжения на нагрузке. По причине того, что ток в туннельном диоде создается основными носителями заряда, прохождение которых не связано с накоплением неравновесного заряда, прибор обладает |очень малой инœерционностью. Предельная частота туннельного диода ограничивается барьерной емкостью перехода, сопротивлением базы и индуктивностью выходов. Она может достигать сотен гигагерц.

Читайте также

– Туннельные диоды

Статическая характеристика туннельного диода и его эквивалентная схема на участке с отрицательным сопротивлением. Энергетические диаграммы туннельного диода на разных участках характеристики: (а) – равновесное состояние, (б) – обратное включение, (в) – прямое… [читать подробенее]

– Туннельные диоды

Статическая характеристика туннельного диода и его эквивалентная схема на участке с отрицательным сопротивлением. Энергетические диаграммы туннельного диода на разных участках характеристики: (а) – равновесное состояние, (б) – обратное включение, (в) – прямое… [читать подробенее]

– Туннельные диоды

Туннельный диод имеет N-образную ВАХ и его работа основана на туннельном эффекте в p-n-переходе, образованном вырожденными полупроводниками. Вырождение полупроводников и малые величины ширины p-n-перехода достигаются за счет сильного легирования p-n-областей. Уровень Ферми… [читать подробенее]

– Туннельные диоды

Туннельный диод – это полупроводниковый диод, на прямом участке ВАХ которого имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Обозначение:     Рис. 2.9. Туннельный диод     Рис. 2.10. ВАХ туннельного диода Туннельные… [читать подробенее]

– Туннельные диоды

Применение стабилитронов Стабилитроны применяются в схемах стабилизаторов напряжения. VD1- стабилитрон с положительным ТКН, VD2 – термокомпенсирующий диод с отрицательным ТКН. Rо – сопротивление, ограничивающее ток стабилитрона. В туннельных диодах используется… [читать подробенее]

– Туннельные диоды.

В туннельных диодах используют контакт вырожденных полупроводников, на вольт-амперной характеристике которых при прямом напряжении имеется учас­ток с отрицательным дифференциальным сопротивлением (рис. 3.16, а). Вырожденный полупроводник – это полупроводник,… [читать подробенее]

– Туннельные диоды.

    УГО – Туннельный диод – это полупроводниковый прибор, в котором используется туннельный механизм переноса носителей заряда через р-n переход при прямом напряжении на нём и в ВАХ которого имеется область отрицательного дифференциального сопротивления. … [читать подробенее]

– Импульсные, туннельные диоды и варикапы

К импульсным диодам относятся вентили, имеющие малую длительность переходных процессов. Они предназначены для применения в импульсных режимах работы. Импульсные диоды входят в состав схем диодных (электронных) ключей. Туннельные диоды. Туннельным называется… [читать подробенее]

Автогенераторы на туннельных диодах. — Студопедия

Туннельный диод благодаря широкому частотному диапазону, малой потребляе­мой мощности Н высокой температурной стабильности является наиболее перспек­тивным прибором для построения миниатюрных, высокостабильных, широкодиапазонных автогенераторов. Недостатком генераторов на туннельных диодах является малая выходная мощность, а также некоторая нестабильность работы из-за разброса параметров современных туннельных диодов.

Наиболее полно преимущества туннельного диода удается использовать в гене­раторах диапазона СВЧ, особенно на частотах выше 1 ГГц, где из-за невозможности использования транзисторов приходилось использовать сложные, громоздкие и неэкономичные генераторы на клистронах, лампах бегущей и обратной волны и др. Современные туннельные диоды позволяют генерировать электрические колебания с частотами до 100 ГГц.

Применение туннельного диода в схемах генераторов объясняется тем, что с помощью отрицательного сопротивления туннельного диода можно компенсировать потери в колебательном контуре и получить в нем незатухающие колебания. Поэто­му рабочим участком вольт-амперной характеристики туннельного диода является ее падающий участок. Ширина падающего участка характеристики туннельного диода обычно не превышает нескольких десятков милливольт. Поэтому амплитуда генерируемых колебаний в автогенераторе на туннельном диоде оказы­вается небольшой. Наибольшая величина выходной мощности, которую может раз­вить туннельный диод, выражается соотношением

(16.10)

При этом рабочая точка перемещается от точки максимума (пика) вольт-амперной характеристики диода до точки минимума (впадины). Вследствие нелинейности ха­рактеристики вблизи этих точек форма генерируемых колебаний может оказаться искаженной. Для уменьшения искажении приходится уменьшать рабочий участок характеристики, ограничиваясь его линейной частью. Однако это приводит к умень­шению отдаваемом мощности, которая практически не превышает нескольких сотен милливатт.

На рис. 16.7, а приведена простейшая схема автогенератора на туннельном дио­де. С помощью делителя R1R2 задается необходимое положение рабочей точки. Колебательный контур образован катушкой L и собственной емкостью диода С_Д. Эквивалентная схема такого генератора может быть представлена в виде цепи, изобра­женной на рис. 16.7, б. Здесь R_Σ — общее активное сопротивление, учитывающее сопротивление делителя и сопротивление потерь контура. Условия самовозбужде­ния будут выполняться, если величина |—R_Д | окажется достаточной, чтобы ском­пенсировать потери в контуре, т. е.

R_Σ<|—R_Д| (16.11).

Кроме того, необходимо, чтобы

L> R_Σ<|—R_Д |С_Д (16.12)

При этом схема самовозбуждается и генерирует колебания с частотой

(16.13)

 

Рис. 16.7. Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы простейшего автогенератора на туннельном диоде

На рис. 16.8 показаны две разновидности типовых схем автогенераторов на тун­нельных диодах.

Следует обратить внимание на то, что туннельный диод — двухполюсник. Поэ­тому схема автогенератора на туннельном диоде проще, чем на транзисторе, так как отпадает необходимость внешней обратной связи. Здесь обратная связь заложена, в самом физическом механизме работы диода и выражается в возникновении отри­цательного сопротивления при правильном выборе рабочей точки на вольт-амперной характеристике. Из-за отсутствия внешней цепи обратной связи и большой крутиз­ны падающего участка вольт-амперной характеристики автогенераторы на туннель­ных диодах имеют ряд особенностей. Прежде всего, источник питания должен обла­дать малым внутренним сопротивлением R_И, чтобы рабочая точка могла попасть на падающий участок характеристики. Для этого необходимо выполнение условия

R_И<|—R_Д|, (16.14)

где |—R_Д|— отрицательное сопротивление диода в рабочей точке. Из-за малой величины |—R_Д| резонансное сопротивление контура также оказывается малым:

R_рез=m²Qρ≈(1,2…1,6) <|—R_Д|, (16.15)

где т — коэффициент связи диода с контуром; Q — добротность контура; ρ— вол­новое сопротивление контура.

Малая величина резонансного сопротивления контура обеспечивается слабой связью диода с контуром

(16.16)

Но для того чтобы контур обладал хорошими резонансными свойствами, необходимо иметь ρQ >>1. Если считать допустимым ρQ=10…20 и принять Q=100…200, то

ρ≤(0,5…1) |—R_Д |. (16.17)

Соотношения (16.14) — (16.17) используются для расчета контура автогенератора на туннельном диоде.

Схема на рис. 16.8, а получила название схемы с последовательным питанием диода (источник питания, контур и диод включены последовательно друг с другом). Напряжение источника питания обычно подается с помощью делителя. Для получе­ния малого внутреннего сопротивления источника сопротивление резистора R1 следует выбирать из условия R1<|—R_Д |.

Схема на рис. 16.8, б называется схемой параллельного питания. Здесь источ­ник питания, диод и контур включены между собой параллельно (диод и источник питания —по постоянному току, контур и диод — по переменному). Для устране­ния самовозбуждения в контуре C2L_Дp последовательно с дросселем включается резистор R, сопротивление которого выбирается из условия R<|—R_Д|. При парал­лельном питании постоянный ток источника не поступает в контур, что предотвращает бесполезный нагрев катушки контура и способствует повышению стабильности гене­рируемой частоты.

Рис. 16.8. Схемы автогенераторов на туннельных диодах: а – с последовательным питанием, б – с параллельным питанием

Туннельный диод, сентябрь 1960 г., Popular Electronics

Сентябрь 1960 г. Популярная электроника Стол содержания Воск, ностальгирующий по истории ранней электроники. См. Статьи с Популярная электроника, опубликовано с октября 1954 года по апрель 1985 года. Настоящим подтверждаются все авторские права.

Изобрел Лео Эсаки в туннельный диод (он же диод Эсаки) в 1957 году во время работы в Sony (в то время Tokyo Tsushin Kogyo).Туннельные диоды имеют очень узкий, сильно легированный p − n-переход всего около 10 нм. (100 Å) с разорванной запрещенной зоной, где электроны в зоне проводимости на стороне n примерно совмещены с отверстиями валентной зоны на стороне p и тем самым облегчая квантово-механический процесс туннелирования, после которого диод назван. Отрицательное дифференциальное сопротивление в части их рабочего диапазона делает они полезны для генераторов высокой частоты. Эта статья в издании 1960 г. Popular Electronics знакомит с характеристиками и возможностями устройства. использует.В нем указана цена на туннельный диод в то время, когда она была Диапазон от 5 до 15 долларов с учетом того, что в будущем цены упадут. 5 долларов в 1960 год был эквивалентен примерно 44 долларам сегодня (за BLS). Интересно, если вы хотите купить туннельный диод сегодня, вам, вероятно, придется найти старый сток на на eBay или Amazon, так как я не мог найти никого, кто продает новые акции (Digi-Key, Newark, Mouser и др.). Некоторые люди специально использовали сконфигурированные транзисторные схемы как источники отрицательного сопротивления, но это много работы и компонентов, чтобы заменитель типа диода, который, как определила промышленность, не нужен.

Туннельный диод

Дональд Л. Стоунер, W6TNS

Новейший из полупроводников, туннельный диод уникальна в своей области. Узнайте, почему он уникален, затем создайте простой передатчик и заставить его работать.

К настоящему времени почти все слышали о туннельном диоде, последнем «чуде» от полупроводниковая промышленность. Хотя туннель связан с лампой и транзистором, диод обычно имеет только два вывода. И все же он отличается от других двухполюсников. устройства (резисторы, конденсаторы и т. д.) особым образом.Подайте напряжение к резистору, например, и вы можете определить ток по закону Ома. Увеличивать напряжение на резисторе, и ток, протекающий через резистор, будет увеличение пропорции. Но с туннельным диодом дело обстоит иначе.

Эффект, который привел к практическому построению этого уникального полупроводника. был обнаружен доктором Лео Эсаки, блестящим японским ученым. Доктор Эсаки решил что необычное легирование перехода германиевый диод вызовет протекание тока уменьшаться, даже если приложенное напряжение было увеличено.Этот эффект, известный как отрицательное сопротивление, позволяет туннельному диоду совершать свои необычные подвиги.

Теория туннельных диодов.

Чтобы понять термин отрицательное сопротивление и его причины, давайте изучим Более знакомый объект – электронная лампа тетрода.

Рис.1 – Схема вакуумной трубки тетрода (A) отображает кривые (B) несколько похоже на туннельный диод. См. Текст.

Фиг.2 – Прямая характеристика туннельного диода. В отрицательном сопротивлении Диапазон крутизны, ток через диод уменьшается, даже если напряжение на диоде увеличивается.

Рис. 3 – Типовая схема кварцевого генератора с туннельным подключением диод. R _int обозначает внутреннее сопротивление батареи.

Рис. 4 – Линия нагрузки для типичного генератора с туннельным диодом. Нагрузка должна быть как можно меньше, чтобы диод ограничивался участком с отрицательным сопротивлением. кривой.

Рис.5 – Источник питания с низким внутренним сопротивлением для туннеля диодные схемы. Дренаж через резистор RI тяжелый, но неизбежен из-за необходимости дизайн.

На рисунке 1 (A) показана вакуумная лампа тетрода с фиксированным напряжением экрана 200 вольт. и напряжение на пластине, которое может изменяться от 0 до 300 вольт. Контроль трубки сетка заземлена, так как нам не нужен входной сигнал на тетрод для целей этого примера.

Давайте изменим напряжение на пластине от 0 до 300 вольт и запишем изменения в ток пластины тетрода, как показано на миллиамперметре – см. Рис. 1 (B). Примечание что ток пластины увеличивается обычным образом по мере увеличения напряжения пластины пока напряжение на пластине не достигнет значения около 100 вольт.

В этот момент происходит своеобразное явление из-за вторичного излучения от пластина – ток пластины уменьшается с увеличением напряжения пластины.Это уменьшение в пластине ток с увеличением напряжения пластины называется отрицательным сопротивлением, которое хорошо известная характеристика тетродов. Когда напряжение на пластине достигает значения напряжения экрана, 200 вольт в этом примере, ток пластины увеличивается как до.

Отрицательное сопротивление явно противоречит закону Ома. Если бы мы применили постоянно увеличивающееся напряжение на резисторе, например, ток через резистор увеличится пропорционально.Если мы зайдем так далеко, резистор в конечном итоге уйдет в дым. Но в этом случае неуклонно увеличивается напряжение на пластине тетрода приводит к неуклонно уменьшающемуся току. Тетрод в в этом примере действительно наблюдается отрицательное сопротивление при напряжении на пластине около 100 и 200 вольт.

Теперь, когда мы знаем, что такое отрицательное сопротивление, вернемся к туннельному диоду. Наклон прямой характеристики туннельного диода очень похож на пластинчатая характеристика тетрода.См. Рис. 2. Обратите внимание на то, что напряжение на диоде положительно увеличивается от нуля до Vp, кривая туннельного диода аналогична кривой для любого обычного полупроводникового или лампового диода. Однако на Vp мы достигаем пиковое напряжение отрицательного сопротивления участка спада туннельного диода. Теперь ток туннельного диода уменьшается по мере увеличения напряжения на нем до тех пор, пока достигается потенциал Vv, напряжение впадины. В этот момент диод возвращается в исходное состояние. обратно к типу, и ток увеличивается при повышении напряжения выше Vv.К работая туннельным диодом на участке его кривой с отрицательным сопротивлением, мы можем заставить его функционировать как осциллятор отрицательного сопротивления, как и приведенный выше тетрод.

Типовая схема.

На рисунке 3 показана типичная схема кварцевого генератора, ставшая возможной благодаря разработке туннельного диода. Фактически, любое устройство отрицательного сопротивления (трубка тетрода, работающая при напряжении пластины значительно ниже напряжения ее экрана, например, как обсуждалось ранее) может быть использован; это устройство известно как генератор отрицательного сопротивления.

Одно из самых больших преимуществ этой схемы, известное как генератор Dynatron. в ламповом исполнении – это присущая ему простота – требуется только источник питания, устройство с отрицательным сопротивлением и настроенная схема. Хотя схема относительно неустойчив в отличие от других осцилляторов, его колебательные свойства зависят исключительно от об использовании устройства отрицательного сопротивления между батареей B1 и настроенной схемой L1-C2.

В зависимости от импеданса настроенной цепи L1-C2, схема на рис.3 будет работать как усилитель или генератор. Чтобы колебаться, диод работает точка должна быть в области отрицательного сопротивления, а полное сопротивление L1-C2 должно быть больше отрицательного сопротивления диода.

Одним из факторов, которые следует учитывать при выборе туннельного диода, является внутреннее сопротивление аккумулятор, R _внутри . Это сопротивление эквивалентно резистору пластинчатой ​​нагрузки. в ламповой схеме. На рисунке 4 показаны типичные линии нагрузки, которые возможны для генератор на туннельном диоде.Обратите внимание, что все линии нагрузки проводятся из точки Vb, которая напряжение источника питания. Фактическая стоимость _рэнд важна для нас. Мы знаем, что внутреннее сопротивление всегда будет присутствовать, поэтому сопротивление нуля невозможно на практике. Если R _int слишком велик, туннельный диод будет работать на положительной части своего наклона, чего мы хотим избежать. Следовательно, желательно, чтобы сопротивление было как можно ближе к нулю.

Современные туннельные диоды имеют отрицательное наклонное сопротивление от 20 до 40 Ом, и R _int должны быть порядка 10 Ом или меньше для генератора. цепь для работы.Действие C1 на рис. 3 способствует уменьшению внутреннего сопротивление B1. Однако маломощный спускной резистор, подключенный параллельно с C1 значительно улучшит работу схемы.

На рисунке 5 показан источник питания с низким внутренним сопротивлением, который можно использовать для питания туннельно-диодные схемы. Если у вас есть низковольтный источник питания (один для питания транзисторов является идеальным), его можно использовать вместо схемы, показанной на рис. 5. Сухие элементы не могут быть использованы с большим успехом, потому что их напряжение и внутреннее сопротивление слишком высоко.Если через сухую ячейку установить дренаж, большие токи, проходящие через сухую ячейку, будут через резистор приведет к неуклонному увеличению внутреннего сопротивления в сухая ячейка. В экспериментальных целях можно использовать сухие элементы, если они Размер D или больше и являются новыми. Однако их можно использовать только в течение короткого времени.

Создание передатчика.

Чтобы лучше понять, на что способен туннельный диод, давайте попробуем экспериментальный подключение с помощью миниатюрного или «Micro-QRP» 80- или 40-метрового передатчика.Хотя туннельный диод – маломощное устройство, такой передатчик способен доставлять полезный сигнал. Передатчик с туннельным диодом “Micro-QRP” ​​работает от напряжения около 0,6 вольт. при 1,8 мА или примерно один входной милливатт. Он управляется кристаллами на любом диапазоны 80 или 40 метров, но могут использоваться на любой частоте от 3,5 до 10 мс. с указанными значениями.

В туннельно-диодном передатчике всего девять рабочих компонентов – ключ Джек, 1.5-вольтовая батарея, потенциометр на 1000 Ом, резистор на 100 Ом, 0,01 мкФ. дисковый конденсатор, электролитический конденсатор на 200 мкФ, 3 В, туннельный диод и катушка и кристалл. См. Рис. 6.

Установите компоненты в корпусную коробку размером 1 5/8 “x 2 3/4” x 2 1/8 “. устанавливается на лицевую панель вместе с потенциометром смещения; катушка, кристалл, и туннельный диод смонтированы на верхней части шасси; аккумулятор находится под шасси и поддерживается выводами, припаянными к клеммам.

Рис. 6 – Схема работы туннельно-диодного передатчика для работы от 3,5 до 10 мк. Аккумуляторный блок питания
(заштрихованный) можно заменить при желании с поставкой, показанной на Рисунке 5.

Большой наконечник для пайки должен быть установлен под катушкой и использоваться как общий клемма заземления для всего передатчика. Важно, чтобы оба дисковых конденсатора вернуться к этому моменту с очень короткими выводами.

Обратите внимание на соединения контактов туннельного диода.

Гнездо счетчика подключено необычным образом, чтобы исключить необходимость в двухпозиционный переключатель. Используйте двухконтактный разъем, при этом корпус должен быть заземлен на корпус. В внешний контакт подключается к минусовой клемме батареи, а центральный контакт подключен к катушке. Когда вставляется штекер счетчика, он замыкает внешний штифт на шасси, замыкая тем самым цепь батареи. Схема туннельного диода (через катушка) комплектуется счетчиком.

Туннельные диоды 1N2939 и 1N2940 General Electric подключаются к стандартному транзистору socket и поэтому с ними легко работать.RCA TD-100, с другой стороны, будет должны быть изменены путем обрезки части свинца из золотой фольги, чтобы получился “штифт” каждого терминала; обязательно удалите достаточно материала, чтобы “штифт” подошел плотно в гнезде захвата. После установки туннельного диода подключите «Micro-QRP». передатчик, как показано на рис. 6, и вы готовы его проверить.

Тестирование передатчика.

Подключите миллиамперметр, как показано на принципиальной схеме; любой метр от 5 и 15 ма.полный размер сделаю. Установите потенциометр смещения на минимальное сопротивление. конец вращения и подключить счетчик. Показание должно быть немного больше 0,01 мА. По мере вращения потенциометра ток будет увеличиваться. Когда глюкометр показывает 1-3 ма. (в зависимости от того, какой тип туннельного диода вы используете), показания внезапно будут перейти на более низкий ток. Точка, в которой происходит падение, называется пиковым током; значение, до которого опускается счетчик, называется током впадины.Между этими две точки – это область нестабильного или отрицательного сопротивления, в которой колеблется диод.

Настроив приемник связи на частоту кристалла, вы сможете слышать сигнал, генерируемый передатчиком «Micro-QRP». Поместите моток проволоки от терминала антенны приемника рядом с передатчиком, и вы сможете «привязать» S-метр.

Обмотав 5-витковую перемычку соединительного провода вокруг катушки, передатчик может грузиться к антенне.Никаких претензий к дальности передачи не предъявляется из-за маленького единицы, поскольку это почти полностью зависит от навыков экспериментатора.

Туннельный диодный передатчик настраивается с помощью внешнего мультиметра. для определения области отрицательного сопротивления диода.

Некоторые туннельные диоды не «взлетают» так же легко, как другие типы. В зависимости от ваш диод, вам может потребоваться прикоснуться к клемме катода в какой-то момент между диодом и катушкой через небольшой конденсатор, регулируя при этом потенциометр смещения.Статическое электричество на вашем теле потрясет цепь передатчика и начать колебаться. После того, как схема будет правильно колебаться, вы можете отрегулировать катушка для максимального сигнала.

Эксперименты

Вы также можете использовать туннельный диод для демонстрации компьютерной коммутации. Вы обнаружите, что при одной конкретной настройке потенциометра смещения диод будет переключаться между пиком и впадиной всякий раз, когда вы шокируете анод (между диодом и плечом потенциометра).Статическое электричество вашего тела действует так же, как информация, поступающая на диод в компьютере.

Хотя счетчик движется довольно медленно, диод переключается из одного состояния в другие со скоростью молнии. Фактически, коммутационная характеристика этого уникальный диод возникает практически со скоростью света – 186 000 миль в секунду! В компьютеров, туннельный диод способен принять «решение» за меньшее время, чем свет проходит с этой страницы к вашим глазам!

А туннельный диод может стоить от 5 долларов.00 и 15,00 $ прямо сейчас, это будет прослужит всю жизнь (если вы не наступите на него) и может использоваться каждый раз, когда новая схема выносится.

Опубликовано 9 декабря 2019 г. (оригинал 29.03.2013)

Туннельный диод – обзор

2.1 Периодические структуры

Туннелирование частицы через потенциальный барьер – одно из наиболее изученных явлений в квантовой теории материи, играющее важную роль во многих полупроводниковых устройствах.В частности, туннельный диод или диод Эсаки , открытый Эсаки [9] в 1958 году, включает туннелирование через сильно легированный (вырожденный) переход в германии с прямым смещением. Одной из важных характеристик диода Эсаки было то, что он обладал отрицательным дифференциальным сопротивлением (NDR), что делало возможным его применение в качестве высокочастотного генератора [10]. В физике твердого тела NDR можно использовать для разработки усилителя переменного тока, который в сочетании с правильно спроектированной цепью положительной обратной связи может быть преобразован в генератор.Таким образом, важным применением материалов, демонстрирующих NDR, является создание высокочастотных генераторов (обычно для микроволнового диапазона частот). Этот эффект наблюдается в некоторых полупроводниках, когда структура зоны проводимости имеет особые свойства. Примером является GaAs, где минимум зоны проводимости происходит в центре зоны Бриллюэна, а также есть минимумы зоны проводимости в других точках зоны Бриллюэна, отстоящих от края зоны примерно на 0,3 эВ.

В качестве способа достижения этого условия в любом полупроводнике Эсаки и Цу [11] предложили в 1970 году изготовление искусственной периодической структуры , состоящей из чередующихся слоев двух разнородных полупроводников с толщиной слоя порядка нанометров.Они назвали эту синтетическую структуру сверхрешеткой (SL) и предположили, что искусственная периодичность «складывает» исходные зоны Бриллюэна составляющих объемных материалов в меньшие зоны Бриллюэна или «мини-зоны» по причинам симметрии, уже обсуждавшимся. в разделе 1.3 главы 1. Длина искусственной периодичности может быть меньше длины свободного пробега электронов и длины волны де Бройля. Они предполагали два типа синтезированных SL: легирующие и композиционные, в зависимости от того, был ли потенциал SL вводится посредством периодического изменения примесей или состава, соответственно, во время эпитаксиального роста.В 1973 году Цу и Эсаки [12] предположили, что NDR также может быть достигнут в SL, но только несколько лет спустя NDR был обнаружен в GaAs / Ga _{1- x} Al _x As SL [13]. К тому времени SL уже открыли новую область междисциплинарных исследований в области материаловедения и физики устройств, став активной областью исследований с широким спектром приложений.

С развитием более сложных методов выращивания теперь возможно изготавливать не только SL-структуры, представленные Эсаки и Цу, но также и многие другие типы полупроводниковых структур, часто с толщиной слоя в нанометровом масштабе (и поэтому обычно называемые как наноструктур ).Одна из причин, по которой интерес к наноструктурам в последнее время усилился, заключается в том, что их электронные, оптические, колебательные и магнитные свойства существенно изменены в результате их пониженной размерности, масштабов длины и их искусственной симметрии.

SL – это разновидность плоской или двумерной наноструктуры в том смысле, что она все еще обладает трансляционной симметрией в направлениях, параллельных плоским границам раздела. Другими примерами 2D-наноструктур являются так называемые структуры с квантовыми ямами (QW) и множественными квантовыми ямами (MQW), сформированные из двух полупроводниковых материалов.КЯ представляет собой систему с двойным гетеропереходом [14], в которой тонкий слой одного материала (например, GaAs) зажат между двумя толстыми слоями другого материала (например, Ga _{1- x} Al _x Что касается подходящая концентрация Al x ∼ 0,3). В этом случае границы раздела резкие и эпитаксиальные (т.е.материалы согласованы по решетке), поэтому электронные состояния представляют собой состояния с прямоугольным потенциалом, соответствующим толщине слоя GaAs (который представляет область с более низким потенциалом).МКЯ похожи по конструкции на SL, предложенные Эсаки и Цу, в том, что они состоят из большого количества гетеропереходов между чередующимися слоями двух материалов (например, GaAs и Ga _{1- x} Al _x As ). Однако расстояния между квантовыми ямами (толщина барьеров Ga _{1- x} Al _x As в этом примере) достаточно велики, чтобы препятствовать туннелированию электронов из одной ямы в другую [14]. Напротив, в SL Эсаки и Цу электроны туннелируют через барьеры, так что они видят чередующиеся слои как периодический потенциал в дополнение к потенциалу кристалла.

В настоящее время термин SL имеет тенденцию довольно широко применяться к любой многослойной структуре, которая сформирована из двух или более материалов, так что существует периодичность (и, следовательно, трансляционная симметрия для структуры) в направлении роста, перпендикулярном поверхности. планарные интерфейсы. Примерами являются повторы базовой «элементарной ячейки» AB для формирования двухкомпонентного SL, соответствующего ⋯ ABABABAB ⋯, или повторы ABC для формирования трехкомпонентного SL, соответствующего ⋯ ABC ABC ABC ⋯ (где A, B и C представляют собой слои из разных материалов).По-прежнему существует двумерная симметрия, параллельная плоским границам раздела, которая согласуется со структурой решетки составляющих материалов.

Другие структуры с еще меньшей размерностью недавно были изготовлены и успешно исследованы (см., Например, [15]). К ним относятся одномерные наноструктуры, известные как квантовых проводов , и кристаллиты нанометрового размера, известные как квантовых точек (фактически нульмерные наноструктуры), а также тонкие пленки с различными наноразмерными рисунками, нанесенными на поверхность (например,грамм. травлением или ионно-лучевой техникой).

На рис. 2.1 схематически изображен бесконечный двоичный SL, состоящий из чередующейся структуры ⋯ ABABABAB ⋯. Здесь средний A , представляющий скважину (например, GaAs), имеет толщину a , а средний B , представляющий барьер (Ga _{1- x} Al _x Как, например) , имеет толщину б. Каждая элементарная ячейка помечена индексом n ( n = любое целое число) и имеет длину L = a + b .С этой длиной будет связана новая «мини-зона Бриллюэна» (см. Раздел 1.3) с компонентой волнового вектора, соответствующей −π / L≤k≤π / L.

Рис. 2.1. Геометрия двухкомпонентного SL бесконечной протяженности, состоящего из слоев сред A и B . Элементарные ячейки структуры обозначены целым числом n.

Зонная диаграмма указанной выше полупроводниковой структуры изображена на рис. 2.2. Поскольку ширина запрещенной зоны скважины A ( E _gA ) в этом случае меньше, чем ширина запрещенной зоны B ( E _gB ), края зоны проводимости и валентной зоны A и B не совпадают друг с другом.Разница между краями их зон известна как смещение зон, создавая потенциал, ответственный за удержание носителей (электронов и / или дырок) только в одном слое. Таким образом, контроль и понимание этого смещения полосы имеет решающее значение при изготовлении устройств квантового ограничения. Хотя наше текущее понимание того, что определяет сдвиг полосы в двух разнородных полупроводниках, все еще неполно, тем не менее, большой прогресс был достигнут в технологиях изготовления, позволяющих контролировать форму неоднородности полосы [16].

Рис. 2.2. Схематическая диаграмма энергетических зон, показывающая области удержания электронов или дырок (пунктирные линии) в периодической бинарной СР, образованной двумя полупроводниками A и B с запрещенными зонами E _gA и E _ГБ соответственно. Также показаны смещения зон проводимости (ΔEc) и валентности (ΔEv).

Можно также найти более сложные SL-структуры с различными легированными полупроводниками.Примером является случай, когда один слой представляет собой полупроводник типа n , а другой слой представляет собой полупроводник типа p , и на стыках между ними имеется собственный слой (обозначается буквой i ), тем самым формируя так называемый doping SL или nipi SL [17]. Эта структура слоев показана на рис. 2.3, где материалы A и C представляют собой полупроводники, легированные n и p , с толщиной a и c соответственно, а материалы B и . D – это внутренние полупроводники (или изоляторы), толщина которых составляет b и d соответственно.Элементарные ячейки теперь имеют длину L = a + b + c + d и, как и раньше, обозначены индексом n .

Рис. 2.3. Схематическое изображение полупроводника SL nipi периода L . Элементарные ячейки SL снова индексируются целым числом n .

По историческим причинам мы ввели понятие SL с точки зрения электронных свойств полупроводниковых материалов.Однако в настоящее время периодические СР и их возбуждения изучаются для широкого круга различных немагнитных и магнитных материалов (см., Например, [18]), о чем мы поговорим в следующих главах.

Fun With Negative Resistance II: Unobtanium Russian Tunnel Diodes

В первой части этой серии мы рассмотрели «игрушечную» схему с отрицательным дифференциальным сопротивлением, состоящую из двух обычных транзисторов. Хотя эта схема позволяет экспериментировать с устройствами с отрицательным сопротивлением без необходимости использования редких деталей, ее производительность сильно ограничена.Это не относится к реальным туннельным диодам, которые используют эффекты квантового туннелирования для создания отрицательной характеристики дифференциального сопротивления. В то время как эти двухконтактные устройства когда-то были самыми быстрыми электронными конструкциями, их использование резко сократилось с появлением других технологий. В результате среднестатистический хакер-электронщик, вероятно, никогда с ним не сталкивался. Это заканчивается сегодня.

Благодаря высокой эффективности современного онлайнового рынка, эти редкие звери диодного мира не являются полностью недоступными.Хотя диоды нового производства трудно достать людям, широкий спектр избыточных туннельных диодов все еще можно найти на eBay всего за 1 доллар каждый из десяти. Хотя вам будет лучше с любым количеством современных технологий для новых конструкций, изучение свойств этих странных устройств может быть интересным опытом обучения.

Для этой статьи я углубился в свою коллекцию полупроводниковой экзотики для некоторых российских туннельных диодов из арсенида галлия 3И306М, которые я купил несколько лет назад.Давайте посмотрим, что можно сделать с помощью простого диода, если он правильный.

[Примечание: все изображения в статье маленькие; щелкните по ним, чтобы получить полную версию]

3И306М Диоды туннельные

Я купил набор из десяти этих арсенид-галлиевых диодов военного назначения в 2016 году для некоторых экспериментов с генераторами импульсов. Вы также можете увидеть эту часть в списке как «3I306M», поскольку кириллическая буква «И» соответствует английской «I.» В TekWiki на w140.com есть хорошая страница с избыточными российскими диодами, а также хорошая общая информация о туннельных диодах, особенно тех, которые используются в классических осциллографах Tektronix.Некоторые диоды оптимизированы для использования в усилителях, генераторах импульсов или в схемах переключения. Из таблицы 3И306М (PDF, на русском языке) мы можем почерпнуть некоторую информацию об этом конкретном диоде – типе переключения – но мне было легче просто измерить некоторые параметры из первых рук с помощью измерителя кривой, который генерирует ВАХ. кривая для устройства.

Форма волны туннельного диода показывает резкие края

В прошлой статье я представил свой быстрый и грязный измеритель кривой, который представляет собой не что иное, как генератор сигналов, резистор на 10 Ом и осциллограф.Я также упомянул проблему этого метода: измерение напряжения искажается из-за измерения тока на экране осциллографа. Лучше всего захватить данные трассировки и построить кривую в вашем любимом графическом программном обеспечении, где вы можете компенсировать ошибку. На этот раз это именно то, что я сделал, экспортировав трассировки в виде файла CSV, а затем сгенерировав график на Python с помощью matplotlib.

Как вы можете видеть на кривой, ток через устройство первоначально увеличивается примерно до 11 мА с увеличением напряжения до 150 мВ, после чего ток резко падает примерно до 500 мкА, а затем снова увеличивается.Это область отрицательного дифференциального сопротивления (NDR), где ток падает с увеличением напряжения. Что интересно в этой кривой, так это то, что были захвачены только две точки в этой области. Глядя на форму сигнала измерения напряжения, можно увидеть, что происходит – диод включается и выключается с очень высокой скоростью.

Коммутационная способность

Приспособление для проверки времени переключения туннельных диодов – всего пара соединителей BNC, спаянных вместе.

Этот диод был предназначен для переключения, поэтому имеет смысл генерировать острые края.Чтобы лучше рассмотреть это, я построил испытательный стенд из двух плотно припаянных разъемов BNC: туннельный диод припаян к клеммам BNC. Один конец подключен к генератору сигналов с сопротивлением 50 Ом, а другой – к осциллографу с оконечной нагрузкой на 50 Ом, что позволяет тестировать очень быструю скорость переключения диода.

Время спада туннельного диода менее 1 нс.

Время переключения диода кажется независимым от формы входного сигнала – когда напряжение достигает порогового значения, диод переключается, поэтому я использовал треугольный сигнал с частотой около 100 кГц.Я измерил время спада выходных переходов менее 900 пс, в то время как время нарастания было немного больше – 1,1 нс. Это довольно впечатляюще для схемы, состоящей только из одной части (без учета генератора сигналов). Это могло быть как раз билетом для обострения ленивых фронтов 100 нс на классическом генераторе 555, если вы увлекались подобными вещами.

Недостатком этой схемы, общим для всех применений туннельных диодов, является низкий выходной уровень: эти диоды работают при низких напряжениях и токах, поэтому не могут генерировать мощные выходные сигналы.

Генератор 300 МГц

Генератор LC с туннельным диодом

Хотя этот конкретный диод мог быть предназначен для переключения, его можно легко использовать для работы в генераторе. Как и в случае с транзисторной схемой в Части I, я построил LC-генератор, используя этот диод в качестве активного элемента. Отрицательное сопротивление туннельного диода противодействует положительному сопротивлению в резервуаре LC, заставляя со временем нарастать колебания, а не уменьшаться.

Генератор 300 МГц и петля пробника

Изначально резонатор состоял из одной петли из медного провода диаметром 9 мм, подключенной параллельно конденсатору 2 пФ – по крайней мере, я так думал.Обходной конденсатор 10 нФ обрабатывает обратный ток через диод, а источник питания 700 мВ питает генератор, хотя я обнаружил, что после запуска схема продолжит колебаться до 330 мВ.

Изначально эта схема работала на частоте 295 МГц. Когда я заменил конденсатор 2 пФ на часть 1 пФ, и частота поднялась только до 300 МГц, я понял, что емкость самого диода поддерживает низкую частоту. Вычислив индуктивность проволочной петли, я смог оценить емкость диода примерно на уровне 18 пФ (в таблице данных указано только менее 30 пФ).Эта емкость диода увеличивает емкость резервуара LC, уменьшая резонансную частоту.

Выходной сигнал генератора на туннельном диоде 300 МГц

По той же причине следует соблюдать осторожность при проверке такой схемы. В моем пробнике осциллографа 10x заявлена ​​номинальная емкость 10 пФ, которая имела бы аналогичный эффект снижения частоты, если бы цепь проверялась напрямую. Вместо этого я прикрепил заземляющий зажим к наконечнику пробника, образуя индуктивную петлю датчика. Удерживание двух контуров близко друг к другу действует как трансформатор и дает достаточную связь для обнаружения сигнала и измерения частоты.Поскольку связь несколько произвольна, масштабирование амплитуды не калибруется, но изменения в работе схемы – например, из-за изменения источника питания – все еще можно увидеть.

Генератор 581 МГц

Генератор на туннельном диоде 581 МГц с двумя компонентами

Не довольствуясь 300 МГц, я решил сократить схему до минимума, чтобы ускорить ее. Я перерезал выводы диода и припаял их непосредственно к проводам осевого конденсатора 100 пФ. В этом случае сами выводы обеспечивают необходимую индуктивность, резонируя с емкостью диода.Опять же, используя напряжение питания 700 мВ, я обнаружил, что схема колеблется на частоте 581 МГц. Я не знаю, как сделать это быстрее, используя сосредоточенные компоненты – может быть, кто-то может предложить другой метод в комментариях. Полостные резонаторы?

Выход двухкомпонентного генератора на туннельном диоде на частоте 581 МГц

В любом случае, я нахожу удивительным, что двухполюсное устройство может так просто сформировать такой генератор. Я также очень признателен разработчикам, которые работали с этими вещами: предотвращение нежелательных паразитных колебаний в схемах, использующих эти диоды, должно быть, было серьезным соображением.Вот почему я (пока) не пытался построить усилитель с этими диодами. Есть старая пословица, что самый простой способ построить генератор – это сконструировать усилитель, и теперь мне интересно, действительно ли это высказывание прижилось во времена туннельных диодов.

Чтобы измерить этот более быстрый генератор, я построил на конце пробника осциллографа меньшую измерительную петлю с отрезком неизолированного медного провода. Не дайте себя обмануть красивой синусоидальной формой выходного сигнала; это сигнал 581 МГц, измеренный с помощью осциллографа с полосой пропускания 1 ГГц, поэтому полосы пропускания недостаточно для отображения множества искажений.Они могут присутствовать, а могут и не присутствовать, но мы не можем сказать об этом с помощью этого оборудования. И, как и в случае с предыдущим генератором, случайное соединение контура пробника создает произвольную шкалу амплитуды, поэтому вы не можете сравнивать выходные сигналы двух контуров.

Жесткие уроки

Пайка радиатора может предотвратить термическое повреждение.

Эти диоды из арсенида галлия столь же хрупки, как и очаровательны. Из четырех диодов, которые я использовал в этих экспериментах, я уничтожил два. Первый был просто связан с приложением слишком большого напряжения во время отслеживания кривой.Лучшим подходом, вероятно, будет начать с низкого уровня (активная область этих устройств ниже 1 В) и медленно продвигаться. Второй пострадавший – перегрев. В техническом описании рекомендуется нагревать выводы не более 3 секунд до температуры, не превышающей 260 ° C, и использовать теплоотвод между корпусом диода и точкой пайки на выводах. Я прочитал это после того, как переварил одну. У меня не было рекомендованного медного пинцета шириной 2 мм, но в конце концов я решил использовать накладную алюминиевую раковину, которую я купил для пайки германиевых компонентов.

Диоды также чувствительны к статическому электричеству, и в техническом описании зловещее предупреждение не проверять их с помощью диодного тестера. Я уже тестировал один с функцией проверки диодов на цифровом мультиметре, когда читал это, и хотя диод, похоже, уцелел – по крайней мере, он не был мгновенно разрушен – тестер не зарегистрировал диод ни в одной из полярностей. Итак, используйте диаграмму в таблице, чтобы определить, какой конец какой.

Итог: если вы играете с этими диодами, будьте осторожны и обязательно купите несколько запчастей.

Что дальше?

На этом мы завершаем краткую серию практических занятий об устройствах с отрицательным сопротивлением. Обязательно сообщите нам в комментариях, если у вас есть непосредственный опыт работы с этими необычными диодами или аналогичными деталями, особенно если вы можете заставить один работать намного быстрее, чем 581 МГц. Я действительно хочу увидеть крик одной из этих штуковин.

Туннельный диод – работа, характеристики, применение

Что такое туннельный диод?

Туннельный диод – это сильно легированный диод с p-n переходом.Туннельный диод показывает отрицательное сопротивление. Когда значение напряжения увеличивается, ток уменьшается. Туннельный диод работает на основе туннельного эффекта.

На следующем изображении показан символ туннельного диода.

Лео Эсаки изобрел туннельный диод в августе 1957 года. Поэтому его также называют диодом Эсаки. Материалы, используемые для этого диода, – германий, арсенид галлия и другие кремниевые материалы. Туннельный диод показывает отрицательное сопротивление в своем рабочем диапазоне.Таким образом, его можно использовать как усилитель, генераторы и в любых схемах переключения.

Ширина обедненной области в туннельном диоде

Когда подвижные носители заряда отсутствуют как свободные электроны, так и дырки, область в p-n-переходе имеет область, называемую областью истощения. Чтобы остановить поток электронов из полупроводника n-типа и дырок из полупроводника p-типа, обедненная область действует как барьер.

Ширина области истощения варьируется в зависимости от количества добавленных примесей.Для увеличения электропроводности добавлены примеси полупроводников p-типа и n-типа. Когда в диод с p-n переходом добавляется меньшее количество примесей, образуется широкая и большая область обеднения. В то же время при добавлении большего количества примесей возникает узкая область обеднения.

Полупроводники p-типа и n-типа сильно легированы в туннельном диоде из-за большего количества примесей. Сильное легирование приводит к узкой обедненной области. По сравнению с обычным диодом с p-n переходом, туннельный диод имеет малую ширину обеднения.Следовательно, при приложении небольшого напряжения в туннельном диоде образуется достаточный электрический ток.

Туннельный эффект

В электронике туннелирование известно как прямой поток электронов через небольшую обедненную область из зоны проводимости n-стороны в валентную зону p-стороны. В диоде с p-n-переходом как положительные, так и отрицательные ионы образуют обедненную область. Благодаря этим ионам в обедненной области присутствует встроенный электрический потенциал или электрическое поле.Это электрическое поле создает электрическую силу в направлении, противоположном приложенному извне напряжению.

По мере уменьшения ширины обедненного слоя носители заряда могут легко пересекать переход. Носители заряда не нуждаются в какой-либо кинетической энергии для перемещения через соединение. Вместо этого перевозчики пробивают стык. Этот эффект называется туннелированием, и поэтому диод называется туннельным диодом.

Из-за туннелирования, когда значение прямого напряжения низкое, значение генерируемого прямого тока будет высоким.Он может работать как с прямым, так и с обратным смещением. Из-за высокого уровня допирования он может работать с обратным смещением. Из-за уменьшения барьерного потенциала уменьшается и величина обратного напряжения пробоя. Достигает нулевого значения. Из-за этого небольшое обратное напряжение приводит к пробою диода. Следовательно, это создает область отрицательного сопротивления.

Явление работы туннельного диода

Несмещенный туннельный диод

В несмещенном туннельном диоде напряжение на туннельный диод не подается.Здесь из-за сильного легирования зона проводимости полупроводника n-типа перекрывается с валентной зоной материала p-типа. Электроны со стороны n и дырки со стороны p перекрываются друг с другом, и они будут на одном уровне энергии.

Некоторые электроны туннелируют из зоны проводимости n-области в валентную зону p-области при повышении температуры. Точно так же дырки будут перемещаться из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области. Наконец, чистый ток будет равен нулю, поскольку равное количество электронов дырки текут в противоположном направлении.

P α e (-A * E * b * W)

P – Вероятность того, что частица пересечет барьер

W – Ширина барьера

E – Энергия барьера

Малое напряжение, приложенное к туннельному диоду

Когда небольшое напряжение, которое имеет меньшее значение, чем встроенное напряжение обедненного слоя, прикладывается к туннельному диоду, прямой ток через переход отсутствует. Тем не менее, минимальное количество электронов из зоны проводимости n-области начнёт туннелировать в валентную зону p-области.

Следовательно, это движение создает небольшой туннельный ток прямого смещения. При подаче небольшого напряжения начинает течь туннельный ток.

Повышенное напряжение, приложенное к туннельному диоду

Когда величина приложенного напряжения увеличивается, количество свободных электронов, генерируемых на стороне n, и дырок на стороне p также увеличивается. Из-за увеличения напряжения также увеличивается перекрытие между полосами.

Максимальный туннельный ток протекает, когда уровень энергии зоны проводимости n-стороны и уровень энергии валентной зоны p-стороны становятся равными.

Дальнейшее повышенное напряжение, приложенное к туннельному диоду

Дальнейшее увеличение приложенного напряжения вызовет небольшое рассогласование зоны проводимости и валентной зоны. Тем не менее, будет перекрытие между зоной проводимости и валентной зоной. Электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону p-области. Следовательно, это вызывает протекание небольшого тока. Следовательно, туннельный ток начинает уменьшаться.

Значительно повышенное напряжение, приложенное к туннельному диоду

Туннельный ток будет равен нулю при увеличении приложенного напряжения до максимума.На этих уровнях напряжения валентная зона и зона проводимости не перекрываются. Это заставляет туннельный диод работать так же, как диод с PN переходом.

Когда приложенное напряжение превышает встроенный потенциал обедненного слоя, прямой ток начинает течь через туннельный диод. В этом состоянии токовая часть кривой уменьшается с увеличением напряжения, и это отрицательное сопротивление туннельного диода. Такие диоды, работающие в области отрицательного сопротивления, используются в качестве усилителя или генератора.

Характеристики V-I туннельного диода

Из-за прямого смещения из-за сильного легирования в диоде происходит проводимость. Максимальный ток, которого достигает диод, равен Ip, а приложенное напряжение – Vp. Текущее значение уменьшается, когда прикладывается большее количество напряжения. Ток продолжает уменьшаться, пока не достигнет минимального значения.

Малое минимальное значение тока – Iv. Из приведенного выше графика видно, что ток от точки A к точке B уменьшается с увеличением напряжения.Это область отрицательного сопротивления диода. В этой области туннельный диод производит мощность, а не поглощает ее.

Применения туннельного диода

• Туннельный диод может использоваться как переключатель, усилитель и генератор.
• Поскольку он показывает быстрый отклик, он используется как высокочастотный компонент.
• Туннельный диод действует как запоминающее устройство логической памяти.
• Используются в схемах генераторов и FM-приемниках. Поскольку это слаботочное устройство, оно больше не используется.

1958: туннельный диод обещает высокоскоростной полупроводниковый переключатель | Кремниевый двигатель

На конференции в Брюсселе в июне 1958 года Лео Эсаки сообщил о новом диоде, который он разработал в Sony, в котором ток уменьшался по мере увеличения напряжения, эффективно демонстрируя «отрицательное сопротивление». Эсаки или туннельный диод, названный в честь квантово-механического туннельного эффекта, который он использует, обеспечивает высокую скорость переключения при очень низком энергопотреблении.Хотя он отговорил молодого Роберта Нойса от реализации аналогичной идеи, записанной в его лабораторной записной книжке в августе 1956 года, председатель конференции Уильям Шокли приветствовал ее развитие и предсказал широкое использование в компьютерах. В 1973 году Эсаки, к тому времени сотрудничавший с IBM, получил Нобелевскую премию за свою новаторскую работу по туннелированию электронов в твердых телах. Хотя диод Эсаки нашел полезные нишевые приложения, он так и не реализовал свои ранние обещания. Как дискретное устройство, оно не могло конкурировать с интегральными схемами, которые были достаточно быстрыми и предлагали значительные преимущества в стоимости, надежности и плотности упаковки.

Многие другие разработки в области полупроводников были встречены с большими ожиданиями, но позже их затмили более дешевые решения. К ним относятся запоминающие устройства с магнитным пузырем и устройства с зарядовой связью (ПЗС). Изобретенные в Bell Labs и широко используемые сегодня в качестве датчиков изображения, ПЗС-матрицы изначально предназначались Fairchild, Intel и другими для приложений с последовательной памятью высокой плотности. Другое изобретение Bell Labs, магнитные пузыри, использовало методы обработки полупроводников для создания магнитных доменов, способных энергонезависимо хранить данные в гранатовом материале.В конце 1970-х годов Intel, Rockwell и Texas Instruments, а также Fujitsu и Hitachi в Японии создали пузырьковые устройства памяти емкостью до 1 мегабита. Обе технологии нашли свое раннее применение, но не смогли поспевать за ростом стоимости и плотности памяти с вращающимся диском.

• Эсаки, Л., Физика твердого тела в электронике и телекоммуникациях, Труды Международной конференции по физике твердого тела , Брюссель, 1958 (Дезирант, М.and Michels, J. L., ed.), Vol. 1, Полупроводники, Часть I, Academic Press (1960), стр. 514.
• Эсаки, Лев. «Долгое путешествие в туннелирование», Нобелевская лекция, 12 декабря 1973 г., опубликованная в Reviews of Modern Physics , Vol. 46 (1974), стр. 237 также в Нобелевских лекциях по физике 1971–1980 годов, редактор Стиг Лундквист (World Scientific Publishing Co., 1992).

• Эсаки, Лео. «Открытие туннельного диода», IEEE Transactions on Electron Devices , Vol.ED-23, № 7 (июль 1976 г.), стр. 644-647.
• Дэйси, Г. «Свойства (туннельные) диодов Esaki: обзор», Конференция по твердотельным схемам. Сборник технических статей . 1960 IEEE International Vol. III (февраль 1960 г.), стр. 6-7.
• Берлин, Лесли. Человек за микрочипом . (Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета, 2005 г.) стр. 66.
• Берлин, Лесли и Кейси, Х. Крейг-младший «Роберт Нойс и туннельный диод», IEEE Spectrum (май 2005 г.).

туннельный диод, рабочий, конструкция, эквивалентная схема, применение | Примечания D&E

Этот диод был впервые представлен доктором Д.Лео Эсаки в 1958 году. Его называют туннельным диодом, потому что из-за его чрезвычайно тонкого обедненного слоя электроны могут туннелировать через потенциальный барьер при относительно низком напряжении прямого смещения (менее 0,05 В). такие диоды обычно изготавливаются из германия, арсенида галлия (GaAs) и антимонида галлия (GaSb).

Обычно используемые условные обозначения диода показаны на рисунке. 1. С ним следует обращаться осторожно, потому что, поскольку оно маломощное, оно может быть легко повреждено нагреванием и статическим электричеством.

Строительство

Это двухконтактный диод с двухконтактным переходом и плотностью легирования примерно в 1000 раз выше, чем у обычного диода. Это сильное легирование вызывает три необычных эффекта:

1. Во-первых, он уменьшает ширину обедненного слоя до крайне малого значения (около 0,00001 мм).

2. Во-вторых, он снижает обратное напряжение пробоя до очень небольшого значения (приближающегося к нулю), в результате чего диод кажется пробитым из-за любого обратного напряжения.
3. В-третьих, выдает участок отрицательного сопротивления на характеристике диода V / I .

Рисунок 1: Символы туннельного диода

Характеристика V / I

Рисунок 2: Характеристики туннельного диода VI

Это показано на рис. 2. Как видно, прямое смещение вызывает немедленную проводимость, т.е. как только прикладывается прямое смещение, возникает значительный ток. Ток быстро возрастает до своего пикового значения I _P , когда приложенное прямое напряжение достигает значения V _P (точка A).При дальнейшем увеличении прямого напряжения ток диода начинает уменьшаться, пока не достигнет своего минимального значения, называемого током впадины I _В , соответствующего напряжению впадины V _В (точка B). Для напряжений, превышающих V _V , ток снова начинает увеличиваться, как и в любом обычном переходном диоде.

Как видно из рис. 2, между точкой пика A и точкой впадины B ток уменьшается с увеличением приложенного напряжения.Другими словами, туннельный диод в этой области имеет отрицательное сопротивление (-R _N ). Фактически, это наиболее полезное свойство диода. Вместо поглощения энергии отрицательное сопротивление производит мощность. Предлагая потери в компонентах контура бака L и C , такое отрицательное сопротивление допускает колебания. Следовательно, туннельный диод используется в качестве генератора очень высокой частоты.

Еще один момент, на который стоит обратить внимание, это то, что это сопротивление увеличивается при переходе от точки A к B , потому что по мере увеличения напряжения ток продолжает уменьшаться, что означает, что отрицательное сопротивление диода продолжает увеличиваться.

Теория туннелирования

При нулевом прямом смещении уровни энергии электронов проводимости в области N- перехода немного не совпадают с уровнями энергии дырок в области P . Когда прямое напряжение немного увеличивается, уровни электронов начинают выравниваться с уровнями дырок на другой стороне перехода, что позволяет некоторым электронам пересекаться. Такой вид пересечения перекрестков называется туннелированием.

Когда напряжение увеличивается до пикового напряжения ( В _P ), все электроны зоны проводимости в области N могут переходить в валентную зону в области P , потому что две зоны точно выровнены.

Следовательно, максимальный ток (называемый пиковым током I _P ) протекает в цепи

После В _P по мере увеличения приложенного напряжения ток начинает уменьшаться, потому что две полосы начинают постепенно выходить из выравнивания. Он достигает минимального значения (называемого током впадины I _В ), когда они полностью не выровнены при прямом смещении В _В (напряжение впадины).

Для напряжений выше В _В ток снова начинает увеличиваться точно так же, как и в случае обычного диода с P-N переходом.

Туннелирование происходит намного быстрее, чем обычное пересечение, что позволяет туннельному диоду включаться и выключаться намного быстрее, чем обычный диод. Вот почему туннельный диод широко используется в специальных приложениях, требующих очень высокой скорости переключения, таких как высокоскоростные компьютерные запоминающие устройства, высокочастотные генераторы и т. Д.

Параметры диода

1. Отрицательное сопротивление (-R _N ),
   Это сопротивление, обеспечиваемое диодом в пределах участка отрицательного сопротивления его характеристики (показано заштрихованным на рис. 2). Оно равно обратной величине крутизны характеристики в этой области.

Его также можно найти из следующего соотношения R _N = – dV / dI.

Его значение зависит от используемого полупроводникового материала (от -10 Ом до -200 Ом).

1. I

   _P / I _V Передаточное отношение

Это почти такой же важный фактор (особенно для компьютерных приложений), как отрицательное сопротивление диода.

Кремниевые диоды

имеют низкое соотношение I _P / I _V , равное 3: 1, и их отрицательное сопротивление может быть приблизительно равно R _N = – 200 / I _P . Такие диоды используются в основном для коммутации при высоких температурах окружающей среды.

Германиевые диоды

имеют соотношение I _P / I _V 6: 1 и формулу отрицательного сопротивления R _N = -120 / I _P .

Диоды из

GaAs (используемые исключительно в генераторах) имеют соотношение I _P / I _V около 10: 1 и отрицательное сопротивление, почти такое же, как у кремниевых диодов.

Минимальное соотношение I _P / I _V для GaSb-диода составляет около 12: 1 и имеет самое низкое сопротивление из всех, заданных R _N = -60 / I _P . Следовательно, у таких диодов самый низкий уровень шума.

Эквивалентная схема

Эквивалентная схема туннельного диода представлена ​​на рис.3. Емкость C – это диффузионная емкость перехода (от 1 до 10 пФ), а (-R _N ) – отрицательное сопротивление. Индуктор L _S связан в основном с клеммными выводами (от 0,1 до 4 нГн). Сопротивление R _S связано с выводами, омическим контактом и полупроводниковыми материалами (1 – 5 Ом). Эти факторы ограничивают частоту использования диода. Они также важны при определении предела скорости переключения.

Смещение диода

Туннельный диод должен быть смещен от какого-либо источника постоянного тока для фиксации его точки Q на его характеристике при использовании в качестве усилителя или генератора и модуляции.

Рисунок 3: Форма сигнала цепи смещения туннельного диода

Диод обычно смещен в отрицательной области (рис. 3 a). В смесителях и релаксационных генераторах он смещен в области положительного сопротивления, ближайшей к нулю (рис. 3b).

Приложения

Туннельный диод обычно используется для следующих целей:

1. В качестве сверхвысокоскоростного переключателя из-за туннельного механизма, который, по сути, действует как скорость света. Он имеет время переключения порядка наносекунд или даже пикосекунд /
2. Как запоминающее устройство логической памяти – за счет трехзначной характеристики его кривой от тока.
3. Как СВЧ-генератор на частоте около 10 ГГц – из-за его чрезвычайно малой емкости и индуктивности, а также отрицательного сопротивления.
4. В цепях релаксационного генератора – из-за его отрицательного сопротивления. В этом отношении он очень похож на однопереходный транзистор.

Преимущества и недостатки

1. Низкий уровень шума
2. Удобство эксплуатации
3. Высокая скорость
4. малой мощности
5. Нечувствительность к ядерному излучению

Недостатки

1. Диапазон напряжения, в котором он может работать должным образом, составляет 1 В или меньше:
2. Являясь устройством с двумя выводами, он не обеспечивает развязку между входными и выходными цепями.

3.12: Диоды специального назначения – Workforce LibreTexts

Диоды Шоттки

Диоды Шоттки сконструированы из металлического перехода к N , а не из полупроводникового перехода P-N. Диоды Шоттки, также известные как с горячими несущими диодами , характеризуются быстрым временем переключения (малым временем обратного восстановления), низким прямым падением напряжения (обычно от 0,25 до 0,4 В для перехода металл-кремний) и низкой емкостью перехода.

Условное обозначение диода Шоттки показано на рисунке ниже.

Условное обозначение диода Шоттки.

Прямое падение напряжения (V _F ), время обратного восстановления (t _rr ) и емкость перехода (C _J ) диодов Шоттки ближе к идеалу, чем у среднего «выпрямляющего» диода. Это делает их подходящими для высокочастотных приложений. К сожалению, диоды Шоттки обычно имеют более низкие значения прямого тока (I _F ) и обратного напряжения (V _RRM и V _DC ), чем выпрямительные диоды, и поэтому непригодны для приложений, требующих значительного количества энергии.Хотя они используются в источниках питания импульсных стабилизаторов низкого напряжения.

Технология диодов Шоттки

находит широкое применение в высокоскоростных компьютерных схемах, где быстрое время переключения соответствует высокой скорости, а низкое прямое падение напряжения означает меньшее рассеивание мощности при проводимости.

Блоки питания импульсного стабилизатора

, работающие на частоте 100 кГц, не могут использовать обычные кремниевые диоды в качестве выпрямителей из-за их низкой скорости переключения. Когда сигнал, подаваемый на диод, изменяется с прямого на обратное смещение, проводимость продолжается в течение короткого времени, в то время как носители уносятся из области обеднения.Проводимость прекращается только после этого t _r время обратного восстановления истекло. Диоды Шоттки имеют более короткое время обратного восстановления.

Независимо от скорости переключения прямое падение напряжения на кремниевых диодах 0,7 В приводит к снижению эффективности источников питания с низким напряжением. Это не проблема, скажем, при питании 10 В. При питании 1 В падение 0,7 В составляет значительную часть выходной мощности. Одним из решений является использование силового диода Шоттки с меньшим прямым падением.

Туннельные диоды

Туннельные диоды используют странное квантовое явление, называемое резонансным туннелированием , для обеспечения характеристик прямого смещения с отрицательным сопротивлением.Когда на туннельный диод подается небольшое прямое смещение, он начинает проводить ток. (Рисунок ниже (b)) По мере увеличения напряжения ток увеличивается и достигает пикового значения, называемого пиковым током (I _P ). Если напряжение увеличивается еще немного, ток фактически начинает уменьшаться на , пока не достигнет нижней точки, называемой током впадины (I _В ). Если напряжение еще больше увеличивается, ток снова начинает увеличиваться, на этот раз не снижаясь в другую «долину».”Схематическое обозначение туннельного диода показано на рисунке ниже (а).

Туннельный диод (a) Условное обозначение. (b) График зависимости тока от напряжения (c) Осциллятор.

Прямые напряжения, необходимые для приведения туннельного диода в режим пикового и минимального токов, известны как пиковое напряжение (V _P ) и минимальное напряжение (V _V ), соответственно. Область на графике, где ток уменьшается при увеличении приложенного напряжения (между V _P и V _V по горизонтальной шкале), называется областью отрицательного сопротивления .

Туннельные диоды

, также известные как диоды Esaki в честь их японского изобретателя Лео Эсаки, способны очень быстро переключаться между пиковыми и минимальными уровнями тока, «переключаясь» между высоким и низким состояниями проводимости намного быстрее, чем даже диоды Шоттки. На характеристики туннельного диода также относительно не влияют изменения температуры.

Зависимость напряжения обратного пробоя от уровня легирования. После Сзе [SGG]

Туннельные диоды сильно легированы как в P-, так и в N-областях, что в 1000 раз превышает уровень выпрямителя.Это можно увидеть на рисунке выше. Стандартные диоды находятся слева, стабилитроны слева, а туннельные диоды – справа от пунктирной линии. Сильное легирование дает необычно тонкую обедненную область. Это создает необычно низкое напряжение обратного пробоя с высокой утечкой. Тонкая обедненная область вызывает высокую емкость. Чтобы преодолеть это, площадь перехода туннельного диода должна быть крошечной. Прямая характеристика диода состоит из двух областей: нормальная прямая характеристика диода с экспоненциальным возрастанием тока за пределы V _F ,0.3 В для Ge, 0,7 В для Si. Между 0 В и _F находится дополнительный характеристический пик «отрицательного сопротивления». Это происходит из-за квантово-механического туннелирования, связанного с двойственной частицей-волновой природой электронов. Область обеднения достаточно тонкая по сравнению с эквивалентной длиной волны электрона, через которую они могут туннелировать. Им не нужно преодолевать нормальное прямое напряжение на диоде V _F . Уровень энергии зоны проводимости материала N-типа перекрывает уровень валентной зоны в области P-типа.С повышением напряжения начинается туннелирование; уровни перекрываются; ток увеличивается до определенного предела. При дальнейшем увеличении тока уровни энергии перекрываются меньше; ток уменьшается с увеличением напряжения. Это часть кривой «отрицательного сопротивления».

Туннельные диоды не являются хорошими выпрямителями, поскольку они имеют относительно высокий ток утечки при обратном смещении. Следовательно, они находят применение только в специальных схемах, где имеет значение их уникальный туннельный эффект. Чтобы использовать туннельный эффект, в этих диодах поддерживается напряжение смещения где-то между пиковым и минимальным уровнями напряжения, всегда с прямым смещением полярности (положительный анод и отрицательный катод).

Пожалуй, наиболее распространенное применение туннельного диода – это простые схемы высокочастотного генератора, как показано на рисунке выше (c), где он позволяет источнику постоянного напряжения вносить мощность в LC-«резервуар», диод проводит ток, когда напряжение поперек него достигает пикового (туннельного) уровня и эффективно изолирует при всех других напряжениях. Резисторы смещают туннельный диод на несколько десятых вольта с центром на участке отрицательного сопротивления характеристической кривой. Резонансный контур L-C может быть частью волновода для работы в микроволновом режиме.Возможны колебания до 5 ГГц.

Когда-то туннельный диод был единственным доступным твердотельным СВЧ-усилителем. Туннельные диоды были популярны с 1960-х годов. Они были более долговечными, чем ламповые усилители бегущей волны, что важно для спутниковых передатчиков. Туннельные диоды также устойчивы к излучению из-за сильного легирования. Сегодня различные транзисторы работают на сверхвысоких частотах. Даже туннельные диоды с малым сигналом дороги, и их трудно найти сегодня.Остается один производитель германиевых туннельных диодов и ни одного производителя кремниевых устройств. Иногда их используют в военной технике, поскольку они нечувствительны к радиации и большим перепадам температуры.

Были проведены некоторые исследования, связанные с возможной интеграцией кремниевых туннельных диодов в интегральные схемы КМОП. Считается, что они могут переключаться на частоте 100 ГГц в цифровых схемах. Единственный производитель германиевых устройств производит их по одному. Необходимо разработать пакетный процесс для кремниевых туннельных диодов, а затем интегрировать его с обычными процессами CMOS.[SZL]

Туннельный диод Esaki не следует путать с резонансно-туннельным диодом CH 2, более сложной конструкции из сложных полупроводников. RTD – это более поздняя разработка, способная работать с более высокой скоростью.

Светодиоды

Диоды, как и все полупроводниковые устройства, регулируются принципами, описанными в квантовой физике. Один из этих принципов – излучение лучистой энергии определенной частоты всякий раз, когда электроны падают с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень.Тот же принцип работает в неоновой лампе – характерное розово-оранжевое свечение ионизированного неона из-за специфических энергетических переходов его электронов в среде электрического тока. Уникальный цвет свечения неоновой лампы обусловлен тем фактом, что неон находится внутри трубки, а не определенным количеством тока через трубку или напряжением между двумя электродами. Неоновый газ светится розовато-оранжевым светом в широком диапазоне ионизирующих напряжений и токов. Каждый химический элемент имеет свою собственную «сигнатуру» излучения лучистой энергии, когда его электроны «прыгают» между различными квантованными уровнями энергии.Например, газообразный водород при ионизации светится красным светом; пары ртути светятся синим светом. Это то, что делает возможной спектрографическую идентификацию элементов.

Электроны, протекающие через PN-переход, испытывают аналогичные переходы по уровню энергии и при этом излучают лучистую энергию. Частота этой лучистой энергии определяется кристаллической структурой полупроводникового материала и составляющими его элементами. Некоторые полупроводниковые переходы, состоящие из особых химических комбинаций, излучают лучистую энергию в спектре видимого света, когда электроны меняют уровни энергии.Проще говоря, эти переходы светятся при прямом смещении. Диод, специально спроектированный так, чтобы светиться как лампа, называется светоизлучающим диодом или светодиодом .

Кремниевые диоды с прямым смещением выделяют тепло, когда электрон и дырки из областей N-типа и P-типа соответственно рекомбинируют в переходе. В светодиодах с прямым смещением рекомбинация электронов и дырок в активной области на рисунке (c) ниже (c) дает фотоны. Этот процесс известен как электролюминесценция .Чтобы испускать фотоны, потенциальный барьер, через который падают электроны, должен быть выше, чем для кремниевого диода. Падение прямого диода может достигать нескольких вольт для некоторых цветных светодиодов.

Диоды, изготовленные из комбинации элементов галлия, мышьяка и фосфора (называемые арсенид-фосфид галлия ), светятся ярко-красным светом и являются одними из наиболее распространенных производимых светодиодов. Изменяя химический состав PN-перехода, можно получить разные цвета. Ранние поколения светодиодов были красными, зелеными, желтыми, оранжевыми и инфракрасными, более поздние поколения включали синий и ультрафиолетовый, причем фиолетовый был последним цветом, добавленным к выбору.Другие цвета могут быть получены путем объединения двух или более светодиодов основного цвета (красного, зеленого и синего) в одном корпусе с использованием одной и той же оптической линзы. Это позволило использовать многоцветные светодиоды, такие как трехцветные светодиоды (коммерчески доступные в 1980-х годах), с использованием красного и зеленого (которые могут создавать желтый цвет), а затем светодиоды RGB (красный, зеленый и синий), которые покрывают весь цветовой спектр.

Схематический символ светодиода представляет собой диод правильной формы внутри круга с двумя маленькими стрелками, указывающими в сторону (обозначающими излучаемый свет), как показано на рисунке (a) ниже.

Светодиод, светоизлучающий диод: (a) схематический символ. (b) Плоская сторона и короткий вывод устройства соответствуют катоду, а также внутреннему устройству катода. (c) Поперечное сечение светодиодной матрицы.

Это обозначение наличия двух маленьких стрелок, указывающих в сторону от устройства, является общим для схематических символов всех светоизлучающих полупроводниковых устройств. И наоборот, если устройство светится – активировано (это означает, что входящий свет стимулирует его), тогда у символа будут две маленькие стрелки, указывающие в сторону .Светодиоды могут воспринимать свет. Они генерируют небольшое напряжение при воздействии света, как в небольших солнечных батареях. Это свойство может быть успешно применено в различных светочувствительных схемах.

Поскольку светодиоды состоят из других химических веществ, чем кремниевые диоды, их прямое падение напряжения будет другим. Обычно светодиоды имеют гораздо большее прямое падение напряжения, чем выпрямительные диоды, от 1,6 до более 3 вольт, в зависимости от цвета. Типичный рабочий ток для светодиода стандартного размера составляет около 20 мА.При работе светодиода от источника постоянного напряжения, превышающего прямое напряжение светодиода, необходимо включить последовательно подключенный «падающий» резистор, чтобы предотвратить повреждение светодиода полным напряжением источника. Рассмотрим пример схемы на рисунке (а) ниже (а) с использованием источника 6 В.

Установка тока светодиода на 20 мА. (а) для источника 6 В, (б) для источника 24 В.

При падении на светодиоде 1,6 В на резисторе будет 4,4 В. Подобрать резистор для тока светодиода 20 мА так же просто, как измерить его падение напряжения (4.4 В) и делением на ток цепи (20 мА) в соответствии с законом Ома (R = E / I). Это дает нам цифру 220 Ом. Вычисляя рассеиваемую мощность для этого резистора, мы берем его падение напряжения и умножаем на его ток (P = IE), и получаем 88 мВт, что находится в пределах номинала резистора 1/8 Вт. Более высокое напряжение батареи потребует понижающих резисторов большего номинала, а также, возможно, резисторов большей мощности. Рассмотрим пример на рисунке (b) выше для напряжения питания 24 В:

Здесь понижающий резистор нужно увеличить до размера 1.12 кОм для падения 22,4 вольт при 20 мА, так что светодиод по-прежнему будет получать только 1,6 вольт. Это также способствует увеличению рассеиваемой мощности резистора: 448 мВт, почти половина ватта мощности! Очевидно, что резистор, рассчитанный на рассеивание мощности на 1/8 Вт или даже на 1/4 Вт, при использовании здесь будет перегреваться.

Значения падающего резистора для цепей светодиодов не обязательно должны быть точными. Предположим, мы должны были использовать резистор 1 кОм вместо резистора 1,12 кОм в схеме, показанной выше. В результате ток в цепи и падение напряжения на светодиодах немного увеличатся, что приведет к более яркому свету светодиода и небольшому сокращению срока службы.Падение резистора со слишком большим сопротивлением (скажем, 1,5 кОм вместо 1,12 кОм) приведет к меньшему току цепи, меньшему напряжению светодиода и более тусклому свету. Светодиоды довольно устойчивы к колебаниям подаваемой мощности, поэтому вам не нужно стремиться к совершенству в выборе размера понижающего резистора.

Иногда требуется несколько светодиодов, например, при освещении. Если светодиоды работают параллельно, каждый из них должен иметь свой собственный ограничивающий ток резистор, как показано на рисунке (а) ниже, чтобы обеспечить более равномерное разделение токов. Однако более эффективно использовать светодиоды последовательно (рисунок (b) ниже с одним понижающим резистором.По мере увеличения количества последовательных светодиодов значение последовательного резистора должно уменьшаться для поддержания тока до определенного значения. Количество последовательно включенных светодиодов (V _f ) не может превышать мощность источника питания. Можно использовать несколько последовательностей строк, как показано на рисунке (c) ниже.

Несмотря на выравнивание токов в нескольких светодиодах, яркость устройств может не совпадать из-за различий в отдельных частях. Детали могут быть выбраны для согласования яркости для критических применений.

Несколько светодиодов: (а) параллельно, (б) последовательно, (в) последовательно-параллельно

Кроме того, из-за своего уникального химического состава светодиоды имеют гораздо более низкие значения пикового обратного напряжения (PIV), чем обычные выпрямительные диоды. Типичный светодиод может быть рассчитан только на 5 В в режиме обратного смещения. Следовательно, при использовании переменного тока для питания светодиода подключите защитный выпрямительный диод встречно-параллельно светодиоду, чтобы предотвратить обратный пробой через каждый второй полупериод, как показано на рисунке (a) ниже.

Управление светодиодами от сети переменного тока

Противопараллельный диод на Рисунке (а) выше можно заменить встречно-параллельным светодиодом. Получившаяся пара встречно-параллельных светодиодов загорается на чередующихся полупериодах синусоиды переменного тока. Эта конфигурация потребляет 20 мА, равномерно распределяя его между светодиодами, чередующимися полупериодами переменного тока. Из-за этого разделения каждый светодиод получает только 10 мА. То же самое и с антипараллельной комбинацией светодиодов с выпрямителем. Светодиод получает только 10 мА.Если для светодиода (-ов) требовалось 20 мА, значение резистора можно было бы уменьшить вдвое.

Прямое падение напряжения светодиодов обратно пропорционально длине волны (λ). По мере уменьшения длины волны при переходе от инфракрасного к видимому и ультрафиолетовому цветам V _f увеличивается. Хотя эта тенденция наиболее очевидна для различных устройств от одного производителя, диапазон напряжений для светодиодов определенного цвета от разных производителей различается. Этот диапазон напряжений показан в таблице ниже.

Как лампы, светодиоды во многих отношениях превосходят лампы накаливания.Прежде всего, это эффективность: светодиоды излучают намного больше световой мощности на ватт потребляемой электроэнергии, чем лампы накаливания. Это значительное преимущество, если рассматриваемая схема питается от батареи, эффективность которой приводит к увеличению срока службы батареи. Во-вторых, светодиоды намного надежнее и имеют гораздо больший срок службы, чем лампы накаливания. Это связано с тем, что светодиоды являются «холодными» устройствами: они работают при гораздо более низких температурах, чем лампа накаливания с раскаленной добела металлической нитью, подверженной поломке от механических и термических ударов.В-третьих, это высокая скорость включения и выключения светодиодов. Это преимущество также связано с «холодным» режимом работы светодиодов: им не нужно преодолевать тепловую инерцию при переключении из выключенного состояния во включенное или наоборот. По этой причине светодиоды используются для передачи цифровой (вкл. / Выкл.) Информации в виде световых импульсов, проводимых в пустом пространстве или по оптоволоконному кабелю, с очень высокой скоростью (миллионы импульсов в секунду).

Светодиоды

превосходно подходят для монохроматических систем освещения, таких как светофоры и автомобильные задние фонари.Лампы накаливания ужасны в этом приложении, поскольку требуют фильтрации, снижая эффективность. Светодиоды не требуют фильтрации.

Одним из основных недостатков использования светодиодов в качестве источников освещения является их монохроматическое (одноцветное) излучение. Никто не хочет читать книгу при свете красного, зеленого или синего светодиода. Однако при использовании в комбинации цвета светодиодов могут быть смешаны для более широкого спектра свечения. Новый источник света широкого спектра – белый светодиод. В то время как маленькие белые панели индикаторов доступны уже много лет, устройства уровня освещенности все еще находятся в разработке.

Белый светодиод – это синий светодиод, возбуждающий люминофор, излучающий желтый свет. Синий плюс желтый соответствует белому свету. Природа люминофора определяет характеристики света. Красный люминофор может быть добавлен для улучшения качества смеси желтого и синего за счет эффективности. В таблице выше сравниваются светодиоды с белой подсветкой с ожидаемыми в будущем устройствами и другими обычными лампами. Эффективность измеряется в люменах светоотдачи на ватт входной мощности.Если устройство мощностью 50 люмен / ватт можно улучшить до 100 люмен / ватт, белые светодиоды будут сравнимы по эффективности с компактными люминесцентными лампами.

светодиодов в целом были основным объектом исследований и разработок с 1960-х годов. Из-за этого нецелесообразно охватить все геометрические формы, химические составы и характеристики, которые были созданы за десятилетия. Первые устройства были относительно тусклыми и потребляли умеренные токи. В последующих поколениях эффективность была повышена до такой степени, что опасно смотреть внимательно и прямо на светящийся светодиод.Это может привести к повреждению глаз, а для светодиодов требуется лишь незначительное увеличение падающего напряжения (Vf) и тока. Современные устройства высокой интенсивности достигают 180 люмен при использовании 0,7 А (82 люмен / ватт, холодный белый цвет серии Luxeon Rebel), и даже модели с более высокой интенсивностью могут использовать еще более высокие токи с соответствующим увеличением яркости. Другие разработки, такие как квантовые точки, являются предметом текущих исследований, поэтому ожидайте увидеть новые вещи для этих устройств в будущем.

Лазерные диоды

Лазерный диод является дальнейшим развитием обычного светодиода или светодиода.Сам термин «лазер» на самом деле является аббревиатурой, несмотря на то, что он часто пишется строчными буквами. «Лазер» означает L полёт A mplification S тайминг E миссия R и относится к другому странному квантовому процессу, при котором характерный свет излучается электроны, падающие из энергетических состояний высокого уровня в низкоуровневые в материале, стимулируют другие электроны в веществе совершать аналогичные «прыжки», в результате чего происходит синхронизированный выход света из материала.Эта синхронизация распространяется на фактическую фазу излучаемого света, так что все световые волны, излучаемые «лазерным» материалом, имеют не только одну и ту же частоту (цвет), но и одинаковую фазу, так что они усиливают одну другой и могут путешествовать в очень плотно ограниченном недиспергирующем пучке. Вот почему лазерный свет остается так замечательно сфокусированным на больших расстояниях: каждая световая волна, исходящая от лазера, синхронизируется друг с другом.

(а) Белый свет многих длин волн.(b) Монохроматический светодиодный свет с одной длиной волны. (c) Фазово-когерентный лазерный свет.

Лампы накаливания излучают «белый» (смешанный по частоте или смешанный цвет) свет, как показано на рисунке выше (а). Обычные светодиоды излучают монохроматический свет: одинаковой частоты (цвета), но с разными фазами, что приводит к аналогичной дисперсии луча на рисунке выше (b). Лазерные светодиоды излучают когерентный свет : свет, который является как монохроматическим (одноцветным), так и однофазным (однофазным), что приводит к точному удержанию луча, как показано на рисунке выше (c).

Лазерный свет находит широкое применение в современном мире: все, от геодезии, где прямой и не рассеивающий световой луч очень полезен для точного наведения на измерительные маркеры, до считывания и записи оптических дисков, где только узкий сфокусированный лазерный луч способен разрешать микроскопические «ямки» на поверхности диска, содержащие двоичные единицы и нули цифровой информации.

Некоторые лазерные диоды требуют специальных мощных «импульсных» цепей для передачи большого количества напряжения и тока короткими импульсами.Другие лазерные диоды могут работать непрерывно с меньшей мощностью. В лазере непрерывного действия лазерное воздействие происходит только в определенном диапазоне диодного тока, что требует некоторой формы схемы регулятора тока. По мере старения лазерных диодов их требования к мощности могут изменяться (требуется больший ток для меньшей выходной мощности), но следует помнить, что маломощные лазерные диоды, такие как светодиоды, являются довольно долговечными устройствами с типичным сроком службы в несколько десятков лет. тысячи часов.

Фотодиоды

Фотодиод – это диод, оптимизированный для создания потока электронного тока в ответ на облучение ультрафиолетовым, видимым или инфракрасным светом.Кремний чаще всего используется для изготовления фотодиодов; однако можно использовать арсенид германия и галлия. Переход, через который свет попадает в полупроводник, должен быть достаточно тонким, чтобы пропускать большую часть света в активную область (область обеднения), где свет преобразуется в пары электронов и дырок.

На рисунке ниже мелкая диффузия P-типа в пластину N-типа создает PN-переход около поверхности пластины. Слой P-типа должен быть тонким, чтобы пропускать как можно больше света.Сильная диффузия N + на обратной стороне пластины контактирует с металлизацией. Верхняя металлизация может быть тонкой сеткой из металлических пальцев на верхней части пластины для больших ячеек. В небольших фотодиодах верхний контакт может быть единственным соединительным проводом, контактирующим с оголенной кремниевой крышкой P-типа.

Фотодиод: условное обозначение и поперечное сечение.

Интенсивность света, попадающего в верхнюю часть стопки фотодиодов, экспоненциально спадает в зависимости от глубины.Тонкий верхний слой P-типа позволяет большинству фотонов проходить в обедненную область, где образуются электронно-дырочные пары. Электрическое поле в обедненной области из-за встроенного потенциала диода заставляет электроны попадать в N-слой, а дырки – в P-слой. Фактически электронно-дырочные пары могут быть образованы в любой из полупроводниковых областей. Однако те, которые образуются в области истощения, скорее всего, будут разделены на соответствующие N- и P-области. Многие электронно-дырочные пары, образующиеся в P- и N-областях, рекомбинируют.Лишь немногие делают это в области истощения. Таким образом, несколько электронно-дырочных пар в N- и P-областях и большая часть в обедненной области вносят вклад в фототок , который возникает в результате падения света на фотодиод.

Может наблюдаться напряжение на фотодиоде. Работа в этом фотоэлектрическом режиме (PV) не является линейным в большом динамическом диапазоне, хотя он чувствителен и имеет низкий уровень шума на частотах менее 100 кГц. Предпочтительным режимом работы часто является режим фототока (PC) , потому что ток линейно пропорционален световому потоку в течение нескольких десятилетий интенсивности, и может быть достигнута более высокая частотная характеристика.Режим ПК достигается с обратным смещением или нулевым смещением на фотодиоде. Усилитель тока (трансимпедансный усилитель) следует использовать с фотодиодом в режиме ПК. Линейность и режим PC достигаются до тех пор, пока диод не смещен в прямом направлении.

Фотодиоды часто требуют высокоскоростной работы, а не солнечных элементов. Скорость – это функция емкости диода, которую можно минимизировать, уменьшив площадь ячейки. Таким образом, датчик для высокоскоростной оптоволоконной линии связи будет использовать площадь не больше, чем необходимо, скажем, 1 мм ² .Емкость также можно уменьшить, увеличивая толщину обедненной области в процессе производства или увеличивая обратное смещение на диоде.

PIN-диод PIN-диод или PIN-диод – это фотодиод с внутренним слоем между P- и N-областями, как показано на рисунке ниже. Структура P – I ntrinsic- N увеличивает расстояние между проводящими слоями P и N, уменьшая емкость, увеличивая скорость.Объем фоточувствительной области также увеличивается, повышая эффективность преобразования. Полоса пропускания может увеличиваться до 10 ГГц. Фотодиоды с PIN-кодом являются предпочтительными из-за высокой чувствительности и высокой скорости при умеренной стоимости.

PIN-фотодиод: собственная область увеличивает толщину обедненной области.

Лавинный фотодиод: Лавинный фотодиод (APD) , предназначенный для работы при высоком обратном смещении, демонстрирует эффект электронного умножителя, аналогичный фотоэлектронному умножителю.Обратное смещение может составлять от 10 вольт до почти 2000 В. Высокий уровень обратного смещения ускоряет созданные фотонами электронно-дырочные пары во внутренней области до достаточно высокой скорости, чтобы освободить дополнительные носители от столкновений с кристаллической решеткой. Таким образом, получается много электронов на фотон. Мотивация для APD состоит в том, чтобы добиться усиления внутри фотодиода для преодоления шума во внешних усилителях. В некоторой степени это работает. Однако APD создает собственный шум. На высокой скорости APD превосходит комбинацию усилителей с PIN-диодами, но не для низкоскоростных приложений.APD дорогие, примерно столько же, сколько фотоумножитель. Таким образом, они могут конкурировать только с фотодиодами с PIN-кодом для нишевых приложений. Одно из таких приложений – подсчет одиночных фотонов применительно к ядерной физике.

Солнечные элементы

Фотодиод, оптимизированный для эффективной подачи энергии на нагрузку, – это солнечный элемент . Он работает в фотоэлектрическом режиме (PV), потому что он смещен в прямом направлении напряжением, возникающим на сопротивлении нагрузки.

Монокристаллические солнечные элементы производятся по технологии, аналогичной обработке полупроводников.Это включает выращивание монокристаллической були из расплавленного кремния высокой чистоты (P-типа), хотя и не такой высокой чистоты, как для полупроводников. Були распиливают алмазной пилой или проволочной пилой на вафли. Концы були должны быть выброшены или переработаны, а силикон теряется в пропиле пилы. Поскольку современные ячейки почти квадратные, кремний теряется при возведении були в квадрат. Клетки можно протравить для придания текстуры (придания шероховатости) поверхности, чтобы помочь улавливать свет внутри клетки. При производстве квадратных пластин 10 или 15 см теряется значительная часть кремния.В наши дни (2007 г.) производители солнечных элементов обычно закупают пластины на этом этапе у поставщика полупроводниковой промышленности.

Пластины P-типа загружаются встык в лодочки из плавленого кварца, открывая только внешнюю поверхность для легирующей примеси N-типа в диффузионной печи. Процесс диффузии формирует тонкий слой n-типа на верхней части ячейки. Распространение также сокращает края ячейки спереди назад. Чтобы раскоротить клетку, необходимо удалить периферию путем плазменного травления.Серебряная или алюминиевая паста нанесена на заднюю часть ячейки, а серебряная сетка – на передней. Они спекаются в печи для обеспечения хорошего электрического контакта. (Рисунок ниже)

Ячейки соединены последовательно металлическими лентами. Для зарядки 12-вольтовых батарей 36 ячеек с напряжением приблизительно 0,5 В ламинируются в вакууме между стеклом и металлической полимерной задней панелью. Стекло может иметь текстурированную поверхность, которая помогает улавливать свет.

Кремниевый солнечный элемент

Максимальная коммерческая высокая эффективность (21.5%) солнечные элементы из монокристаллического кремния имеют все контакты на задней стороне элемента. Активная площадь ячейки увеличивается за счет перемещения верхних (-) контактных проводников к задней части ячейки. Верхние (-) контакты обычно подключаются к кремнию N-типа в верхней части ячейки. На рисунке ниже (-) контакты соединены с диффузорами N ⁺ на дне, чередующимися с (+) контактами. Верхняя поверхность имеет текстуру, которая помогает улавливать свет внутри ячейки.

Высокоэффективный солнечный элемент со всеми контактами сзади.Взято из рисунка 1

Многоступенчатые силиконовые элементы начинаются с заливки расплавленного кремния в прямоугольную форму. Когда кремний охлаждается, он кристаллизуется в несколько больших (от миллиметров до сантиметров) беспорядочно ориентированных кристаллов вместо одного. Остальная часть процесса такая же, как и для монокристаллических ячеек. На готовых ячейках видны линии, разделяющие отдельные кристаллы, как если бы ячейки были треснутыми. Высокая эффективность не так высока, как у монокристаллических ячеек, из-за потерь на границах кристаллических зерен.Поверхность ячейки нельзя придать шероховатости травлением из-за случайной ориентации кристаллов. Однако антибликовое покрытие повышает эффективность. Эти ячейки конкурентоспособны во всем, кроме космического применения.

Трехслойный элемент : Солнечный элемент с наивысшей эффективностью представляет собой набор из трех элементов, настроенных на поглощение различных частей солнечного спектра. Хотя три ячейки могут быть установлены друг на друга, монолитная монокристаллическая структура из 20 полупроводниковых слоев более компактна.При КПД 32% в настоящее время (2007 г.) он предпочтительнее кремния для космического применения. Высокая стоимость не позволяет найти множество приложений, связанных с землей, кроме концентраторов на основе линз или зеркал.

В результате интенсивных исследований недавно была разработана версия, улучшенная для земных концентраторов на 400–1000 солнц и КПД 40,7%. Для этого требуется либо большая недорогая линза Френеля, либо отражатель и небольшая площадь дорогого полупроводника. Эта комбинация считается конкурентоспособной с недорогими кремниевыми элементами для солнечных электростанций.[RRK] [LZy]

Металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы (MOCVD) осаждает слои поверх германиевой подложки P-типа. Верхние слои фосфида галлия-индия (GaInP) N- и P-типа, имеющие ширину запрещенной зоны 1,85 эВ, поглощают ультрафиолетовый и видимый свет. Эти длины волн имеют достаточно энергии, чтобы превышать ширину запрещенной зоны. Более длинные волны (более низкая энергия) не обладают достаточной энергией для создания электронно-дырочных пар и переходят на следующий слой. Слои арсенида галлия с шириной запрещенной зоны 1.42 эВ, поглощает ближний инфракрасный свет. Наконец, слой германия и подложка поглощают дальнее инфракрасное излучение. Серия из трех ячеек производит напряжение, которое является суммой напряжений трех ячеек. Напряжение, развиваемое каждым материалом, на 0,4 В меньше, чем энергия запрещенной зоны, указанная в таблице ниже. Например, для GaInP: 1,8 эВ / э – 0,4 В = 1,4 В. Для всех трех напряжение составляет 1,4 В + 1,0 В + 0,3 В = 2,7 В.

Кристаллические солнечные батареи имеют долгий срок службы. Многие массивы имеют гарантию 25 лет и считаются работоспособными в течение 40 лет.Они не подвержены начальной деградации по сравнению с аморфным кремнием.

Как монокристаллические, так и мультикристаллические солнечные элементы основаны на кремниевых пластинах. Кремний является как подложкой, так и активными слоями устройства. Потребляется много кремния. Этот вид элементов существует уже несколько десятилетий и занимает около 86% рынка солнечной электроэнергии. Для получения дополнительной информации о кристаллических солнечных элементах см. Honsberg. [CHS]

Аморфный кремний тонкопленочные солнечные элементы используют крошечные количества активного сырья, кремния.Примерно половину стоимости обычных кристаллических солнечных элементов составляет кремний для солнечных элементов. Процесс нанесения тонких пленок снижает эту стоимость. Обратной стороной является то, что эффективность примерно вдвое ниже, чем у обычных кристаллических ячеек. Кроме того, под воздействием солнечного света КПД снижается на 15-35%. Ячейка с КПД 7% скоро вырастет до КПД 5%. Ячейки из тонкопленочного аморфного кремния работают лучше, чем кристаллические элементы при тусклом свете. Они находят хорошее применение в калькуляторах на солнечных батареях.

Солнечные элементы на основе не кремния составляют около 7% рынка.Это тонкопленочные поликристаллические изделия. Различные составные полупроводники являются предметом исследований и разработок. Некоторые несиликоновые продукты находятся в производстве. Как правило, эффективность лучше, чем у аморфного кремния, но не так хорошо, как у кристаллического кремния.

Теллурид кадмия в виде тонкой поликристаллической пленки на металле или стекле может иметь более высокую эффективность, чем тонкие пленки из аморфного кремния. При нанесении на металл этот слой является отрицательным контактом с тонкой пленкой теллурида кадмия.Прозрачный сульфид кадмия P-типа поверх теллурида кадмия служит буферным слоем. Положительный верхний контакт представляет собой прозрачный, электропроводный оксид олова, легированный фтором. Эти слои могут быть нанесены на жертвенную фольгу вместо стекла в процессе, описанном в следующем параграфе. Жертвенная фольга удаляется после того, как ячейка прикреплена к постоянной подложке.

Солнечный элемент из теллурида кадмия на стекле или металле.

Процесс нанесения теллурида кадмия на стекло начинается с нанесения прозрачного, электропроводящего оксида олова N-типа на стеклянную подложку.Следующий слой – теллурид кадмия Р-типа; тем не менее, можно использовать N-тип или внутренний. Эти два слоя составляют NP-переход. Слой теллурида свинца P ⁺ (тяжелый P-тип) помогает установить контакт с низким сопротивлением. Металлический слой обеспечивает окончательный контакт с теллуридом свинца. Эти слои могут быть нанесены путем вакуумного осаждения, химического осаждения из паровой фазы (CVD), трафаретной печати, электроосаждения или химического осаждения из паровой фазы при атмосферном давлении (APCVD) в гелии. [KWM]

Разновидностью теллурида кадмия является теллурид кадмия ртути.Более низкое объемное сопротивление и меньшее контактное сопротивление повышает эффективность по сравнению с теллуридом кадмия.

Кадмий, индий, галлий, диселенидный солнечный элемент (CIGS)

Кадмий, индий, галлий, диселенид : Самый многообещающий тонкопленочный солнечный элемент в настоящее время (2007 г.) производится на рулоне шириной десять дюймов из гибкого полиимида – кадмия, индия, галлия, диселенида (CIGS). Его эффективность составляет 10%. Хотя ячейки из кристаллического кремния коммерческого качества превзошли это десятилетие назад, CIGS должен быть конкурентоспособным по стоимости.Процессы осаждения происходят при достаточно низкой температуре, чтобы использовать полиимидный полимер в качестве подложки вместо металла или стекла. (Рисунок выше) CIGS изготавливается методом рулона в рулон, что должно снизить затраты. Ячейки GIGS также могут быть произведены с помощью низкозатратного электрохимического процесса. [EET]

ОБЗОР :

• Большинство солнечных элементов представляют собой монокристаллические или мультикристаллические кремниевые элементы из-за их хорошей эффективности и умеренной стоимости.
• Остальной рынок составляют менее эффективные тонкие пленки из различных аморфных или поликристаллических материалов.
• В таблице ниже сравниваются выбранные солнечные элементы.

Варикап или варакторные диоды

Диод переменной емкости известен как варикап-диод или как варактор . Если диод смещен в обратном направлении, между двумя полупроводящими слоями образуется изолирующая обедненная область. Во многих диодах ширина обедненной области может быть изменена путем изменения обратного смещения. Это изменяет емкость. Этот эффект усилен в диодах варикапа.Схематические символы показаны на рисунке ниже, один из которых выполнен в виде двойного диода с общим катодом.

Варикап диод: Емкость зависит от обратного смещения. Это изменяет частоту резонансной сети.

Если варикап диод является частью резонансного контура, как показано на рисунке выше, частота может изменяться с помощью управляющего напряжения, V _control . Большая емкость, низкая X _c , последовательно с варикапом предотвращает короткое замыкание V _control индуктором L.Пока последовательный конденсатор большой, он оказывает минимальное влияние на частоту резонансного контура. C _{опционально} может использоваться для установки центральной резонансной частоты. Затем V _control может изменять частоту около этой точки. Обратите внимание, что необходимая активная схема для создания колебаний резонансной сети не показана. Пример AM-радиоприемника, настроенного на варикап-диод, см. В разделе «Электронная настройка варикап-диода», гл. 9

.

Некоторые варикап-диоды могут называться резкими, сверхрезкими или сверхвысокими резкими скачками.Они относятся к изменению емкости перехода с изменением обратного смещения как резкому, гипер-резкому или сверх-резкому. Эти диоды имеют относительно большое изменение емкости. Это полезно, когда генераторы или фильтры качаются в большом диапазоне частот. При изменении смещения резких варикапов за пределы номинальных значений емкость изменяется в соотношении 4: 1, сверхбыстрый – на 10: 1, сверхвысокий – на 20: 1.

Варакторные диоды могут использоваться в схемах умножителей частоты. См. «Практические аналоговые полупроводниковые схемы», Варакторный умножитель

.

Snap диод

Импульсный диод , также известный как ступенчатый восстанавливающий диод , разработан для использования в высокочастотных умножителях до 20 ГГц.Когда диод смещен в прямом направлении, заряд сохраняется в PN переходе. Этот заряд уходит из-за обратного смещения диода. При прямом смещении диод выглядит как источник тока с низким сопротивлением. Когда применяется обратное смещение, он все еще выглядит как источник с низким сопротивлением, пока не будет снят весь заряд. Затем он «переключается» в состояние с высоким импедансом, вызывая импульс напряжения, богатый гармониками. Приложение – гребенчатый генератор, генератор многих гармоник. Еще одно применение – умножители 2x и 4x умеренной мощности.

PIN диоды

A PIN-диод – это быстродействующий переключающий диод с малой емкостью. Не путайте диод переключения PIN с фотодиодом PIN. PIN-диод изготавливается как кремниевый переключающий диод с внутренней областью, добавленной между слоями PN-перехода. Это дает более толстую обедненную область, изолирующий слой на стыке диода с обратным смещением. Это приводит к более низкой емкости, чем у переключающего диода с обратным смещением.

Штыревой диод: поперечное сечение совмещено со схематическим обозначением.

PIN-диоды

используются вместо переключающих диодов в радиочастотных (RF) приложениях, например, в переключателе T / R. Сообщается, что силовой диод общего назначения 1n4007 1000 В, 1 А может использоваться в качестве диода переключения контактов. Высокое напряжение этого диода достигается за счет включения внутреннего слоя, разделяющего PN переход. Этот внутренний слой делает 1n4007 PIN-диодом. Еще одно применение PIN-диода – здесь в качестве антенного переключателя для приемника пеленгатора.

PIN-диоды

служат в качестве переменных резисторов при изменении прямого смещения.Одним из таких приложений является аттенюатор переменного напряжения. Характеристики низкой емкости PIN-диодов расширяют частотную характеристику аттенюатора до микроволновых частот.

Диод IMPATT

IMPact Avalanche Transit Time diode – это мощный радиочастотный (RF) генератор, работающий в диапазоне от 3 до 100 ГГц. Диоды IMPATT изготавливаются из кремния, арсенида галлия или карбида кремния.

Диод IMPATT имеет обратное смещение выше напряжения пробоя.Высокие уровни легирования создают тонкую обедненную область. Возникающее в результате сильное электрическое поле быстро ускоряет носители, которые освобождают другие носители при столкновении с кристаллической решеткой. Отверстия врезаны в область P ₊ . Электроны дрейфуют в направлении N областей. Каскадный эффект создает лавинный ток, который увеличивается даже при уменьшении напряжения на переходе. Импульсы тока отстают от пика напряжения на переходе. Эффект «отрицательного сопротивления» в сочетании с резонансным контуром создает колебания с высокими уровнями мощности (высокими для полупроводников).

IMPATT-диод: схема генератора и сильно легированные слои P и N.

Резонансный контур на принципиальной схеме на рисунке выше является эквивалентом контура с сосредоточенными параметрами секции волновода, на котором установлен IMPATT-диод. Обратное смещение постоянного тока подается через дроссель, который предотвращает потерю ВЧ сигнала при подаче напряжения смещения. Это может быть участок волновода, известный как тройник смещения. Радиолокационные передатчики малой мощности могут использовать в качестве источника питания диод IMPATT.Они слишком шумны для использования в ресивере. [YMCW]

Диод Ганна

Диод Ганна Диод Ганна

Диод Ганна состоит исключительно из полупроводника N-типа. Таким образом, это не настоящий диод. На рисунке ниже показан слаболегированный слой N _– , окруженный сильно легированными слоями N + . Напряжение, приложенное к диоду Ганна из арсенида галлия N-типа, создает сильное электрическое поле на слаболегированном слое N ^–.

Диод Ганна: Схема генератора и сечение только полупроводникового диода N-типа.

По мере увеличения напряжения увеличивается проводимость за счет электронов в зоне проводимости с низкой энергией. Когда напряжение превышает пороговое значение примерно 1 В, электроны перемещаются из нижней зоны проводимости в зону проводимости с более высокой энергией, где они больше не вносят вклад в проводимость. Другими словами, по мере увеличения напряжения ток уменьшается, что является условием отрицательного сопротивления.Частота колебаний определяется временем пролета электронов проводимости, которое обратно пропорционально толщине слоя N ^– .

Частоту можно до некоторой степени регулировать, встраивая диод Ганна в резонансный контур. Эквивалент схемы с сосредоточенными параметрами, показанный на рисунке выше, на самом деле является коаксиальной линией передачи или волноводом. Диоды Ганна из арсенида галлия доступны для работы в диапазоне от 10 до 200 ГГц при мощности от 5 до 65 мВт. Диоды Ганна могут также служить усилителями.[CHW] [IAP]

Диод Шокли

Диод Шокли представляет собой 4-слойный тиристор, используемый для запуска более крупных тиристоров. Он проводит только в одном направлении при срабатывании напряжения, превышающего , напряжение переключения , около 20 В. См. «Тиристоры», Диод Шокли. Двунаправленная версия называется diac . См. «Тиристоры» в DIAC.

Диоды постоянного тока

Диод постоянного тока , также известный как токоограничивающий диод или , стабилизирующий диод , выполняет именно то, что подразумевает его название: он регулирует ток через него до некоторого максимального уровня.Диод постоянного тока представляет собой двухконтактную версию полевого транзистора. Если мы попытаемся пропустить через диод постоянного тока больше тока, чем его точка регулирования тока, он просто «отбивается», понижая большее напряжение. Если бы мы построили схему на рисунке ниже (а) и построили график зависимости тока диода от напряжения диода, мы получили бы график, который сначала возрастает, а затем выравнивается в точке регулирования тока, как показано на рисунке ниже (b).

Диод постоянного тока: (а) испытательная схема, (б) зависимость тока от напряжения.

Одно из применений диода постоянного тока – автоматическое ограничение тока через светодиод или лазерный диод в широком диапазоне напряжений источника питания, как показано на рисунке ниже.

Применение диода постоянного тока: управляющий лазерный диод.

Конечно, точка регулирования диода постоянного тока должна быть выбрана в соответствии с оптимальным прямым током светодиода или лазерного диода. Это особенно важно для лазерного диода, а не для светодиода, поскольку обычные светодиоды более устойчивы к изменениям прямого тока.

.