Схема включения туннельного диода – Изучаем туннельный диод на примере 3И306М / Habr

Изучаем туннельный диод на примере 3И306М / Habr

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.

habr.com

принцип работы, схемы и т.д.

Туннельный диод — это специальный диод, характеристики которого отличаются от характеристик любого обычного диода или стабилитрона.

Как обычный диод, так и стабилитрон являются очень хорошими проводниками, имея прямое смещение, но ни один из них не проводит хорошо ток в состоянии обратного смещения (исключение составляет область пробоя). Но в материале туннельного диода имеются присадки в гораздо большем объеме, нежели в обычном диоде, а его P-N переход очень узкий. Туннельный диод в силу того, что имеет большое количество присадок и очень узкий P-N переход, исключительно хорошо проводит ток в обе стороны.

Схема туннельного диода

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип действия туннельного диода

Потенциал, который необходим для того, чтобы заставить туннельный диод выступать в роли проводника, будь то в режиме прямого или обратного смещения, очень невелик, обычно этот потенциал находится в диапазоне милливольт. Именно поэтому туннельные диоды известны как приборы с низким сопротивлением. Они очень слабо противодействуют движению тока в цепи.

График напряжение-ток типичного туннельного диода

Самой уникальной особенностью туннельных диодов является их соотношение напряжение-ток, когда они имеют прямое смещение. Когда туннельный диод имеет прямое смещение (от точки А до точки В на графике) при увеличении напряжения, ток также растет до определенной величины. Как только это значение оказывается достигнутым, дальнейшее повышение напряжения при прямом смещении заставляет ток снижаться до минимального значения (от точки В до точки С). В области, которая находится на графике между максимальным и минимальным потоками тока, туннельный диод имеет отрицательное сопротивление. В этой области отрицательного сопротивления ток, идущий через туннельный диод, фактически снижается при повышении напряжения. Происходит прямо противоположное обычному соотношению напряжение ток. Однако, когда напряжение за точкой С повышается, то данный прибор демонстрирует обычное соотношение напряжения и тока.

В обычных условиях туннельные диоды работают в области своего отрицательного сопротивления. В данной области незначительное уменьшение напряжения включает этот прибор, а небольшое повышение — выключает его. В качестве такого своеобразного выключателя туннельный диод может использоваться либо как генератор, либо как высокоскоростной выключатель: специфическая особенность прибора, низкое сопротивление, позволяет почти мгновенно изменять внутреннее сопротивление. Туннельные диоды могут также использоваться в качестве усилителей, где изменения в подаваемом напряжении в сторону повышения, вызывают пропорционально более значительные изменения тока в цепи.

www.kipiavp.ru

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.

www.radioelementy.ru

Туннельный диод — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Обозначение на схемах Вольт-амперная характеристика (ВАХ) туннельного диода. В диапазоне напряжений U₁ − U₂ дифференциальное сопротивление отрицательно

Тунне́льный дио́д — полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, на вольт-амперной характеристике которого при приложении напряжения в прямом направлении появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, обусловленный туннельным эффектом.

Обычные диоды при увеличении прямого напряжения монотонно увеличивают пропускаемый ток. В туннельном диоде квантово-механическое туннелирование электронов добавляет прогиб в ВАХ, 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^[1]. При дальнейшем увеличении прямого напряжения уровень Ферми n-области поднимается относительно р-области, попадая на запрещённую зону р-области, а поскольку туннелирование не может изменить полную энергию электрона^[2], вероятность перехода электрона из n-области в p-область резко падает. Это создаёт на прямом участке ВАХ участок, где увеличение прямого напряжения сопровождается уменьшением силы тока. Данная область отрицательного дифференциального сопротивления и используется для усиления слабых сверхвысокочастотных сигналов.

«Генерирующий детектор»[править | править код]

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

В начале 1920-х годов советский радиолюбитель, физик и изобретатель Олег Лосев независимо от Экклза обнаружил эффект отрицательного дифференциального сопротивления в диодах из кристаллического оксида цинка, выращенного гидротермально из водного раствора гидроксида цинка и цинката калия^{[нет в источнике]}. Этот эффект получил название «кристадинный» и использовался для генерации и усиления электрических колебаний в радиоприёмниках и передатчиках, но вскоре был вытеснен из практической радиотехники электровакуумными приборами. Механизм возникновения кристадинного эффекта неясен. Многие специалисты предполагают, что он вызван туннельным эффектом в полупроводнике, но прямых экспериментальных подтверждений этого (по состоянию на 2004 год) не получено. Существуют и другие физические явления, способные послужить причиной кристадинного эффекта^[3]. При этом кристадин и туннельный диод — это разные устройства, и отрицательное дифференциальное сопротивление у них проявляется на разных участках вольт-амперной характеристики^{[источник не указан 37 дней]}.

Туннельный диод[править | править код]

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

Туннельный диод 1N3716 (рядом для масштаба сфотографирован джампер)

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

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

ru.wikipedia.org

Опыты с аналогом туннельного диода / Habr

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

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

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

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

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

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

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

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

Конденсатор параллельно питанию при такой низкой частоте необязателен.

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

Подаём прямоугольные импульсы, подстраиваем амплитуду, и внезапно видим:

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

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

habr.com

8.0.3.Применение туннельных диодов

Применение туннельных диодов

Преимущества и недостатки туннельных диодов по сравнению с электронными лампами и транзисторами легче всего понять на примерах конкретных схем.

Первой задачей, которую необходимо решить при построении любой схемы, является задание рабочей точки по постоянному току. Как следует из вида вольт-амперной характеристики (рис. 1), для однозначного задания рабочей точки на падающем участке необходимо задавать постоянное смещение на туннельный диод от источника напряжения. Это означает, что сопротивление постоянному току (включая и внутреннее сопротивление источника смещения), включенное последовательно с туннельным диодом, должно быть меньше дифференциального сопротивления туннельного диода в рабочей точке 2. Этому случаю соответствует линия нагрузки R₁.

Рис. 1. Различные режимы работы туннельного диода при изменении сопротивления нагрузки.

Поскольку абсолютная величина дифференциального сопротивления в рабочей точке обычно составляет единицы или десятки ом, то внутреннее сопротивление источника постоянного смещения должно быть во всяком случае на порядок меньше, т. е. составлять десятые доли или единицы ома. При этом напряжение источника Е должно быть 100—200 ма. Легко подсчитать, что потребляемая туннельным диодом от батареи смещения мощность P=I0U0 при I0=5 ма н U0=0,1 в составляет 500 мквт. Эта мощность оказывается примерно в 10 раз меньше мощности, необходимой для питания аналогичной схемы на транзисторе, и в несколько тысяч раз меньше мощности, потребляемой электронной лампой.

Однако в настоящее время это преимущество туннельных диодов нельзя полностью использовать, так как для питания схем на туннельных диодах обычно используют стандартные элементы напряжением 1,5—2,2 в, погасив излишек напряжения на балластном сопротивлении. Понятно, что в этом случае мощность, потребляемая от источника питания, будет существенно больше.

На рис. 2 показана типовая схема питания туннельного диода ТД от источника напряжением Е=1,5 в.

Рис. 2. Схема питания туннельного диода.

Если сопротивление R₁ выбрано много меньше |R| и известно U₀, то величина балластного сопротивления R_б находится по следующей формуле:

Например, если E=1,5 в, U₀=0,1 в и R₁=1 ом, то R_б=14 ом. При этом ток, потребляемый от батареи, будет равен , т. е. 100 ма, а расходуемая мощность Р=IE=150 мвт. Таким образом, использование „высоковольтного” источника привело к увеличению мощности в 300 раз!

Если сопротивление постоянному току, включенное последовательно с диодом, будет много больше его дифференциального сопротивления на падающем участке характеристики, то линия нагрузки будет соответствовать прямой R2 на рис. 1. В этом случае прямая R2 пересекает вольт-амперную характеристику в точках 1, 2 и 3 В теории колебаний доказывается, что устойчивым положениям равновесия будут соответствовать только точки 1 и 3, а точка 2 будет неустойчивой. Это означает, что рабочая точка в данный момент времени может соответствовать напряжению на туннельном диоде либо U’, либо U” (рис. 1). Таким образом, если источник имеет внутреннее сопротивление R2≥|R|, то невозможно задать рабочую точку на падающем участке характеристики. Такой режим питания используется при создании импульсных схем. Режим же, соответствующий заданию рабочей точки на падающем участке характеристики (R1≤|R|), используется в схемах усилителей и генераторов гармонических колебаний.

Схемы генераторов гармонических колебаний. Ознакомление применением туннельных диодов мы начнем с рассмотрения схем генераторов гармонических колебаний, так как их построение оказывается наиболее простым и понятным.

Как уже, очевидно, стало понятно читателю, основное отличие туннельного диода от электронных ламп и транзисторов с точки зрения применения их в радиотехнических схемах сводится к тому, что туннельный диод — двухполюсник, т. е. имеет только два выходных зажима. В электронной лампе или транзисторе, которые являются трехполюcниками, усиление сигнала возможно только в одном направлении (сетка — анод или база — коллектор) и невозможно в обратном. Эти приборы – однонаправленные. Туннельный же диод не имеет раздельных входа и выхода и, таким образом, является ненаправленным.

Последнее обстоятельство приводит к довольно серьезным осложнениям при построении многокаскадных усилительных и импульсных схем, где необходимо осуществить направленную передачу сигнала с входа на выход. В схемах же любых генераторов всегда имеется только два выходных зажима, с которых снимается сигнал, и поэтому указанная особенность туннельного диода в данном случае не является недостатком.

Простейшая схема генератора гармонических колебаний показана на рис. 3. Эквивалентная схема этого генератора соответствует схеме Цепь, образованная из батареи Б, сопротивлений R₁, R_б и емкости С, обеспечивает необходимое постоянное смещение на диоде ТД. В отличие от схемы на рис. 2 в цепи смещения добавлен блокировочный конденсатор С₁, емкость которого должна быть выбрана из таких соображений, чтобы ее сопротивление на рабочей частоте было примерно в 10 раз меньше сопротивления Ri. Поэтому емкость этого конденсатора надо рассчитывать по следующей формуле:

где С, — мкф, f — гц, а R₁ — ом.

Колебательный контур на рис. 3 образуется из емкости диода С, индуктивности L и подстроечного конденсатора С₂. Рабочая частота определяется по известной формуле:

Сопротивление Rн служит нагрузкой, на которую должен работать генератор.

Рис. 3. Схема генератора гармонических колебаний.

Если надо построить генератор с малым содержанием гармоник, то необходимо, чтобы амплитуда колебаний А не «выходила» за линейный участок характеристики. Этот участок примерно равен ±0,1 U₀. Поэтому амплитуда колебаний для германиевых диодов обычно составляет 2—10 мв.

Обеспечить достаточно малую амплитуду возможно лишь при условии, если сопротивление диода в рабочей точке примерно равно параллельному соединению из сопротивлений нагрузки Rн и контура Rэкв. Поскольку, как мы уже видели, контур с средней добротностью имеет Rэкв≈105 ом, то практически это условие эквивалентно |R|=Rн. При этом отбираемая в нагрузку колебательная мощность Для типовых значений |R|=20 ом и A=5 мв, мощность Р=1,2 мквт.

Если нелинейные искажения не имеют существенного значения, то можно считать, что размах колебаний равен U₂—U₁. В этом случае выходная мощность для германиевых диодов будет равна

В УКВ и СВЧ диапазонах принцип построения генераторных схем остается таким же, только вместо контуров с сосредоточенными элементами С и L используют распределенные системы типа линий или объемных резонаторов.

По зарубежным данным верхний частотный предел генерации, достигнутый в настоящее время, несколько превышает 100 Ггц (λ—3 мм). Выходная мощность при этом составляет несколько микроватт.

Усилители на туннельных диодах. Простейшая схема широкополосного усилителя на туннельном диоде представлена на рис. 4,а, а на рис. 4,б показана его эквивалентная схема. Принцип действия усилителя сводится к следующему. Допустим, что внутреннее сопротивление генератора Rг оказывается много больше сопротивления нагрузки Rн, тогда в контуре, образованном из параллельного соединения Rн и туннельного диода ТД, может протекать сколь угодно большой ток, если Rн стремится к |R|. Другими словами, отрицательное сопротивление |R| можно подобрать таким, что оно почти полностью скомпенсирует потери, вносимые нагрузкой Rн. Следовательно, выходная мощность в нагрузке может быть во много раз больше мощности, отбираемой от генератора.

В том случае, когда сопротивление Rг оказывается соизмеримым с Rн, диод должен быть выбран так, чтобы его дифференциальное сопротивление по абсолютному значению было несколько больше, чем

Тот факт, что сопротивление |R| должно быть всегда несколько больше, чем Rн или Rп, связан с тем, что только при этом условии усилитель будет работать устойчиво, т. е. можно будет «устойчиво» задать рабочую точку на падающем участке характеристики (точка 2 на рис. 1).

Как следует из рис. 4,а выходные зажимы генератора являются общими с выходными зажимами усилителя. Как уже было отмечено выше, это обстоятельство затрудняет построение многокаскадных усилителей на туннельных диодах. В радиовещательных диапазонах пока еще нет достаточно эффективных способов, позволяющих «развязать» один каскад от другого. Поэтому, на этих частотах, как правило, используются однокаскадные усилители. В диапазоне СВЧ в качестве развязывающих элементов используют ферритовые направленные ответвители — циркуляторы, которые позволяют «направить» электрические колебания только в одном направлении и, таким образом, разделить вход от выхода.

Рис. 4. Принципиальная (а), эквивалентная (б) схемы широкополосного усилителя.

Следует отметить, что использование усилителей на туннельных диодах в радиовещательном диапазоне частот мало перспективно. В этом диапазоне целесообразнее применять транзисторы, обладающие достаточно хорошими усилительными свойствами и позволяющие создавать стабильные м,ногокаскадные усилители, потребляя при этом примерно ту же мощность от источников питания, что и туннельные диоды.

Поскольку усилители да туннельных диодах не имеют раздельных входа и выхода, то и определение коэффициента усиления для них имеет свои особенности. Под коэффициентом усиления по мощности в этом случае понимают отношение мощностей в нагрузке при включенном и выключенном диоде.

Таким образом, этот коэффициент показывает, какую мощность «вносит» туннельный диод в нагрузку по сравнению с пассивной цепью, образованной из сопротивлений Rг и Rн. Поэтому его обычно называют коэффициентом вносимого усиления Kв. Для простейшей схемы на рис. 4 величина Kв на низких частотах может быть подсчитана по следующей формуле:

При |R|=Rп коэффициент усиления обращается в бесконечность. Это означает, что схема становится неустойчивой. Поэтому Rп всегда выбирают несколько меньше |R|.

Следующей особенностью усилителей на туннельных диодах является их склонность к самовозбуждению. Это легко понять с помощью схемы на рис. 4,а. Если паразитная индуктивность L (пунктир на рис. 4,а) в контуре, образованном из туннельного диода и сопротивления Rн, окажется достаточно- большой, то в нем могут возникнуть колебания совершенно так же, как в схеме генератора на рис. 3.

Допустимая индуктивность, при которой еще не возникают паразитные колебания, оценивается по формуле

Если |R|≈Rн=20 ом и С=25 пф, то паразитная индуктивность должна быть меньше 10^-8 гн, или 0,01 мкгн.

Такое малое значение индуктивности вызывает довольно жесткие требования к качеству монтажа схемы. Чем меньше величина |R|,тем труднее бороться с паразитной генерацией. Так, например, при |R|=4 ом и С=25 пф индуктивность не должна превышать 10^-10гн. Обычно собственная паразитная индуктивность диода составляет несколько единиц 10-10 гн. Поэтому главной трудностью при создании усилителя является безындукционное подключение нагрузки к туннельному диоду. По этой причине сопротивление R₁ в схеме на рис. 2 не должно быть проволочным.

Преобладающее большинство усилителей на туннельных диодах являются усилителями резонансного типа. В этом случае параллельно сопротивлению нагрузки включается индуктивность L, которая совместно с емкостью диода образует резонансный контур. По внешнему виду схема резонансного усилителя ничем не отличается от схемы генератора, изображенного на рис. 10. Разница между ними сводится лишь к тому, что на резонансной частоте в схеме усилителя не выполняются условия самовозбуждения, в то время как в схеме генератора это условие является необходимым. В схеме усилителя на частотах, отличных от резонансной, контур шунтирует нагрузку и усиление уменьшается.

Важной характеристикой любого усилительного элемента является его добротность, определяемая как произведение полосы пропускания на коэффициент усиления по напряжению. Для электронных ламп эта величина, как известно, равна Для туннельных диодов, как нетрудно показать, коэффициент усиления по напряжению К_U=√Kв. Добротность же туннельного диода выражается следующей формулой:

При значениях |R|=20 ом и С=10 пф добротность Δf/Ku≈800 Мгц. Это означает, что на обычном туннельном диоде может быть построен усилитель с полосой пропускания 40 Мгц и коэффициентом усиления Ки=20 (Kв=400). Приведенные значения совершенно недостижимы для однокаскадного лампового усилителя, так как наилучшая добротность у современных электронных ламп оказывается порядка 200 Мгц.

Конструкции современных высокочастотных усилителей на туннельных диодах весьма разнообразны. Их габариты и вес сильно зависят от рабочей частоты, определяющей размеры распределенных колебательных контуров и органов подстройки.

Современные усилители на туннельных диодах работают до частот порядка нескольких десятков гигагерц (λ≤1 см) с коэффициентом усиления Ku=10³-10⁴ (т. е. 30—40 дб).

Импульсные схемы на туннельных диодах. Эти схемы можно разбить на три основных типа: мультивибраторы, одновибраторы (ждущие мультивибраторы) и триггеры. Два последних типа схем часто называют спусковыми схемами, так как они работают только при наличии внешнего спускового сигнала. Простейшие спусковые схемы на туннельном диоде представлены на рис. 5.

Рис. 5. Спусковые схемы на туннельных диодах, а — схема триггера; б — схема одновибратора.

На рис. 5,а приведена схема триггера, Принцип действия этой схемы сводится к следующему. Если сопротивление в цепи питания R2 выбрано очень большим, так что выполняется условие R₂≥|R|, то линия нагрузки, как показано на рис. 1, будет соответствовать прямой R₂. Поэтому диод будет находиться либо под напряжением U’ либо под напряжением U”. Другого устойчивого положения равновесия быть не может.

Допустим, что исходным положением является точка 1. Если теперь через сопротивление Rг≥|R| подать на диод импульс от внешнего генератора, то рабочая точка может «перейти» из положения 1 в положение 3. Это произойдет только в том случае, когда амплитуда тока запускающего импульса I₁=u/Rг окажется больше, чем разность Iмакс—I₂ (рис. 1).

После того как схема «перешла» в другое положение равновесия (точка 3 на рис. 1), для ее повторного срабатывания необходимо уже подать импульс отрицательной полярности с амплитудой, большей, чем I₃—Iмин. Подавая на схему (рис. 5,а) последовательность разнополярных импульсов, можно получить на выходе колебания с амплитудой U”—U’, близкие по форме к прямоугольным.

Переключение схемы из одного положения равновесия в другое происходит за очень короткий промежуток времени, пропорциональный |R|C. Это время соответствует длительности фронтов выходных импульсов.

Триггер является основным элементом любой электронной вычислительной машины. Чем выше скорость его срабатывания, тем больше математических операций в единицу времени может совершить данная машина. Триггеры на туннельных диодах срабатывают за время порядка 10^-9—10^-8 сек и, таким образом, оказываются чрезвычайно перспективными для быстродействующих вычислительных машин.

С помощью триггера очень легко формировать прямоугольные импульсы из синусоидального напряжения. Для этого на вход вместо разнополярных импульсов надо подать гармоническое напряжение. На выходе схемы получится последовательность прямоугольных импульсов с частотой входного сигнала. Современные туннельные диоды надежно работают в таком режиме до частот порядка нескольких десятков мегагерц.

Другая разновидность спусковой схемы — одновибратор — изображена на рис. 5,б. В этом случае напряжение источника смещения Е1 и сопротивление R’₂ или R”₂ выбираются так, чтобы линия нагрузки пересекала вольт-амперную характеристику диода только в одной точке на любой из ее восходящих ветвей (рис. 6). Если исходная рабочая точка соответствует положению 1, то под действием внешнего положительного импульса тока схема будет «переброшена» а район точки 3 на другой восходящий участок характеристики и останется там до тех пор, пока внешний сигнал не будет снят.

Рис. 6. Различные режимы работы одновибратора.

После снятия внешнего сигнала схема возвратится в исходное состояние не мгновенно, а через некоторое время, определяемое сопротивлениями R’₂, Rг и параметрами диода. Если рабочая точка выбрана в точке 3 (рис. 1), то для работы схемы необходимо на ее вход подавать последовательность отрицательных импульсов.

Таким образом, на выходе одновибратора можно получить последовательность прямоугольных импульсов с калиброванной длительностью, не зависящей От формы и длительности входного сигнала.

В рассмотренной выше схеме триггера на одном туннельном диоде (рис. 5,а) условия запуска из точки 1 в точку 3 могут существенно отличаться от условий запуска из точки 3 в точку 1. Связано это с тем, что вольтамперная характеристика в районе Iмакс и Iмин несимметрична и, таким образом, в зависимости от направления переключения амплитуда запускающего сигнала, необходимая для срабатывания схемы, может быть различной. Поскольку же входные сигналы обычно имеют одинаковую амплитуду и длительность, то указанный недостаток может привести к ненадежному срабатыванию схемы в одном из направлений.

От этого недостатка свободна схема на двух туннельных диодах (рис. 7), условно называемая в иностранной литературе схемой «Твин». В этой схеме один из диодов, например ТД2) можно рассматривать как сопротивление нагрузки для диода ТД1. Тогда для построения линии нагрузки для диода ТД1 достаточно из точки U=E построить перевернутую вольт-амперную характеристику диода ТД2 (рис. 8). В результате такого построения мы получим две характеристики, пересекающиеся в трех точках, причем точка 2 будет по-прежнему неустойчивой, а точки 1 и 3 останутся устойчивыми. Поскольку же средняя точка батареи смещения заземлена, точке 2 на рис. 8 будет соответствовать нулевой потенциал относительно «земли». Поэтому условия запуска схемы «Твин» окажутся совершенно одинаковыми для любого направления. При этом, конечно, необходимо подбирать диоды с одинаковыми характеристиками.

Рис. 7. Принципиальная схема “Твин”

Рис. 8. Вольт-амперная характеристика для схемы “Твин”.

Напряжение, снимаемое со схемы «Твин», показано на рис. 9. Здесь видно, что выходное напряжение изменяется от +U’ до —U’.

Рис. 9. Форма напряжения на выходе схемы “Твин”.

Схема «Твин» может работать и как мультивибратор, если между зажимом «земля» и выходным зажимом включить индуктивность L (рис. 10). В этом случае точки 1 и 3 (рис. 8) станозятся неустойчивыми, если L>8|R|^-2С, где |R| — усредненное дифференциальное сопротивление диода на падающем участке характеристики (рис. 6). Форма колебаний на выходе мультивибратора близка к прямоугольной (рис. 9).

Рис. 10. Принципиальная схема мультивибратора.

Незначительная асимметрия колебаний может быть достигнута за счет использования диодов с различными параметрами. Длительность плоской части импульса может быть грубо оценена по следующей формуле:

где r_L — сопротивление индуктивности постоянному току, а r₁ — сопротивление диода постоянному току на участке характеристики от U₀ до U₁. Обычно r₁ составляет несколько ом. Напряжение источника питания E/2 должно быть выбрано в интервале от от U₀ до U₂.

Рассмотренные схемы не исчерпывают многообразия применений туннельного диода в различных радиотехнических устройствах. Необходимо указать, что туннельный диод оказывается весьма перспективным прибором при детектировании очень малых напряжений (около 1 мв), умножении и преобразовании высоких частот и др. В последнее время появились такие приборы, как транзисторы с туннельным эмиттером, позволяющие создавать более совершенные импульсные схемы.

Следует также отметить, что исследования в области изучения физики туннельного эффекта в полупроводниках и создание приборов, использующих этот эффект, находятся еще далеко не в завершенной фазе. Поэтому в ближайшем будущем а этой области следует ожидать еще много новых открытий и изобретений.

asest.com

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

studfile.net