Краткие теоретические сведения. Туннельные диоды изготавливают из германия, кремния или арсенида галия и очень сильно насыщают акцепторной и донорной примесями

Туннельные диоды изготавливают из германия, кремния или арсенида галия и очень сильно насыщают акцепторной и донорной примесями. При сильном насыщении примесями запрещенная зона в полупроводниковом диоде становится весьма узкой, так как в полупроводнике р - типа уровень доноров почти сливается с зоной проводимости, а в полупроводнике п - типа уровень акцепторов сливается с валентной зоной. При образовании из двух таких полу­проводников электронно-дырочного перехода ширина его получается весьма малой, а действующее в нем электрическое поле исключительно сильным.

Если приложить к переходу обратное напряжение, то напряженность электрического поля в нем возрастает еще больше, и оно оказывается способным вырывать валентные электроны из кристаллической решетки полупроводника с проводимостью типа – p, отрывать их от атомов и перебрасывать через электронно-дырочный переход в полупроводник с проводимостью типа – n, где они становятся основными носителями электричества.

В отличие от обыкновенного диода в туннельном диоде электроны перемещаются непосредственно из валентной зоны одного полупроводника в свободную зону другого. Энергия, которой они обладают, достаточна для преодоления потенциального барьера и они проходят сквозь этот барьер. Такой механизм прохождения электронов через электронно-дырочный переход называется туннельным эффектом. Так как число электронов в валентных связях полупроводника также велико, как и число свободных электронов в металле, то при включении туннельного диода в обратном направлении его вольт - амперная характеристика принимает такой же вид, как у металлического проводящего контакта.

Если к туннельному диоду подключить напряжение в прямом направлении, то поле в переходе несколько ослабнет, но будет еще достаточным для создания туннельного эффекта. При еще большем увеличении напряжения туннельный эффект начинает исчезать, что приводит к появлению падающего участка вольт -амперной характеристики. В том случае прибор проявляет себя как отрицательное сопротивление. При дальнейшем повышении напряжения туннельный эффект полностью исчезает, в действие вступает обычный процесс прохождения тока через электронно-дырочный переход и характеристика диода совпадает с характеристикой обычного полупроводникового диода. Вольт - амперная характеристика туннельного диода представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Вольт - амперная характеристика туннельного диода.

В качестве параметров туннельного диода используются величины напряжений и токов, характеризующие особые точки вольт - амперной характеристики (рис. 2.1). Максимальный ток I макс соответствует максимуму вольт - амперной характеристики в области туннельного эффекта. Напряжение U макс соответствующее току I макс определяется степенью смешения уровня Ферми от дна зоны проводимости в n - полупроводнике или же от потолка валентной зоны в р - полупроводнике. Минимальный ток I мин и соответствующее ему напряжение U мин характеризует вольт - амперную характеристику в области минимума. Наибольшее напряжение U н соответствует значению I макс на диффузионной ветви характеристики.

Напряжение

U =U н - U макс,

называется максимальным напряжением переключения. Этот параметр важен при работе туннельного диода в ключевых схемах.

Падающий участок зависимости I = ƒ (U) характеризуется минимальным дифференциальным отрицательным сопротивлением:

r = - U/I

Конструктивно туннельный диод похож на обычный диод. Однако его можно использовать не только для выпрямления переменного тока, но и для создания и усиления электрических колебаний. Это свойство туннельный диод приобретает благодаря тому, что в области изменения напряжения от U1 до U2 он имеет отрицательное сопротивление, которое не вносит дополнительных потерь в электрическую цепь, а компенсирует потери энергии в других элементах за счет энергии источника питания. Поэтому если положительное сопротивление ослабляет электрические сигналы, то отрицательное сопротивление может их усиливать. Таким образом, туннельный диод может выполнять роль полупроводникового триода, хотя работает совершенно на ином принципе. По сравнению с другими элементами туннельный диод обладает рядом преимуществ: исключительно малыми размерами, способностью работать в широком диапазоне температур, высокой температурной стабильностью и весьма малым потреблением энергии.

Туннельные диоды могут применяться в электроустановках, работающих при высокой частоте, в устройствах автоматики и телемеханики, радиоэлектронной аппаратуре и т.д.