tuneļa diodes

Tuneļdiožu priekšrocības un trūkumus salīdzinājumā ar vakuumlampām un tranzistoriem vislabāk var saprast, aplūkojot konkrētus ķēžu piemērus.

Pirmais uzdevums, kas jāatrisina, veidojot jebkuru ķēdi, ir iestatīt darbības punktu atbilstoši līdzstrāva. Kā izriet no strāvas-sprieguma raksturlīknes formas (1. att.), lai unikāli iestatītu darbības punktu uz krītošā posma, ir nepieciešams iestatīt pastāvīgu nobīdi tuneļa diodei no sprieguma avota. Tas nozīmē, ka līdzstrāvas pretestībai (ieskaitot iekšējās nobīdes avota pretestību), kas savienota virknē ar tuneļa diodi, jābūt mazākai par tuneļa diodes diferenciālo pretestību darbības punktā 2. Šis gadījums atbilst slodzes līnijai R 1 .

Rīsi. 1. Dažādi tuneļa diodes darbības režīmi, mainoties slodzes pretestībai.

Tā kā diferenciālās pretestības absolūtā vērtība darba punktā parasti ir vienības vai desmiti omi, līdzstrāvas nobīdes avota iekšējai pretestībai jebkurā gadījumā jābūt par kārtu mazākai, t.i., desmitdaļām vai omu vienībām. Šajā gadījumā avota spriegumam E jābūt 100-200 mA. Ir viegli aprēķināt, ka jauda, ​​ko patērē tuneļa diode no nobīdes akumulatora P = I0U0 pie I0 = 5 mana U0 = 0,1 V, ir 500 μW. Izrādās, ka šī jauda ir aptuveni 10 reizes mazāka par jaudu, kas nepieciešama līdzīgas tranzistora ķēdes darbināšanai, un vairākus tūkstošus reižu mazāka par jaudu, ko patērē vakuuma caurule.

Tomēr pašlaik šo tuneļa diožu priekšrocību nevar pilnībā izmantot, jo standarta elementi ar spriegumu 1,5–2,2 V parasti tiek izmantoti, lai barotu ķēdes, kuru pamatā ir tuneļa diodes, dzēšot lieko spriegumu uz balasta pretestības. Ir skaidrs, ka šajā gadījumā no barošanas avota patērētā jauda būs ievērojami lielāka.

Uz att. attēlā parādīta tipiska tuneļa diodes TD barošanas ķēde no avota ar spriegumu E \u003d 1,5 V.

Rīsi. 2. Tuneļa diodes barošanas ķēde.

Ja pretestība R 1 ir izvēlēta daudz mazāka par |R| un U 0 ir zināms, tad balasta pretestības R b vērtību nosaka pēc šādas formulas:

Piemēram, ja E=1,5 V, U 0 =0,1 V un R 1 = 1 omi, tad R b = 14 omi. Šajā gadījumā no akumulatora paņemtā strāva būs , t.i., 100 mA, un enerģijas patēriņš P=IE=150 mW. Tādējādi "augstsprieguma" avota izmantošana izraisīja jaudas palielināšanos par 300!

Ja līdzstrāvas pretestība, kas virknē savienota ar diodi, ir daudz lielāka par tās diferenciālo pretestību raksturlīknes krītošajā daļā, tad slodzes līnija atbildīs taisnei R2 attēlā. 1. Šajā gadījumā taisne R2 šķērso strāvas-sprieguma raksturlīkni punktos 1, 2 un 3. Svārstību teorijā ir pierādīts, ka tikai punkti 1 un 3 atbildīs stabilām līdzsvara pozīcijām, un punkts 2. būt nestabilam. Tas nozīmē, ka darbības punkts noteiktā laikā var atbilst tuneļa diodes spriegumam vai nu U "vai U" (1. att.). Tādējādi, ja avotam ir iekšējā pretestība R2≥|R|, tad nav iespējams iestatīt darbības punktu raksturlīknes krītošajam posmam. Šis jaudas režīms tiek izmantots, veidojot impulsu ķēdes. Režīms, kas atbilst darbības punkta iestatīšanai raksturlīknes krītošajā posmā (R1≤|R|), tiek izmantots pastiprinātāju un harmonisko svārstību ģeneratoru ķēdēs.

Harmonisko svārstību ģeneratoru shēmas. Iepazīšanos ar tuneļdiožu izmantošanu sāksim, apsverot harmonisko svārstību ģeneratoru shēmas, jo to konstrukcija izrādās visvienkāršākā un saprotamākā.

Kā jau lasītājam kļuvis skaidrs, galvenā atšķirība starp tuneļa diode un elektroniskās lampas un tranzistori no to izmantošanas viedokļa radio ķēdēs, tas ir saistīts ar faktu, ka tuneļa diode ir divu terminālu, t.i., tai ir tikai divas izejas spailes. Elektroniskajā caurulē vai tranzistorā, kam ir trīs termināli, signāla pastiprināšana ir iespējama tikai vienā virzienā (režģis - anods vai bāze - kolektors) un nav iespējama pretējā virzienā. Šīs ierīces ir vienvirziena. No otras puses, tuneļa diodei nav atsevišķas ieejas un izejas, tāpēc tā nav virziena.

Pēdējais apstāklis ​​rada diezgan nopietnas komplikācijas daudzpakāpju pastiprināšanas un impulsu ķēžu būvniecībā, kur nepieciešams veikt virziena signāla pārraidi no ieejas uz izeju. Jebkuru ģeneratoru shēmās vienmēr ir tikai divi izejas termināli, no kuriem tiek ņemts signāls, un tāpēc norādītā tuneļa diodes iezīme šajā gadījumā nav trūkums.

Vienkāršākā harmonisko svārstību ģeneratora diagramma ir parādīta att. 3. Šī ģeneratora ekvivalentā shēma atbilst shēmai No akumulatora B, pretestībām R 1, R b un kapacitātes C veidotā ķēde nodrošina nepieciešamo pastāvīgo nospriegojumu uz TD diodes. Atšķirībā no diagrammas attēlā. 2, nobīdes ķēdei tiek pievienots bloķējošais kondensators C 1, kura kapacitāte jāizvēlas tā, lai tā pretestība darba frekvencē būtu aptuveni 10 reizes mazāka par pretestību Ri. Tāpēc šī kondensatora kapacitāte jāaprēķina, izmantojot šādu formulu:

kur C ir mikrofarāde, f ir Hz un R1 ir omi.

Svārstību ķēde attēlā. 3 veidojas no diodes C kapacitātes, induktivitātes L un trimmera kondensatora C 2. Darbības frekvenci nosaka pēc labi zināmās formulas:

Pretestība Rn kalpo kā slodze, uz kuras jādarbojas ģeneratoram.

Rīsi. 3. Harmonisko svārstību ģeneratora shēma.

Ja ir nepieciešams izveidot ģeneratoru ar zemu harmoniku saturu, tad ir nepieciešams, lai svārstību amplitūda A “nepārsniegtu” raksturlieluma lineāro posmu. Šī sadaļa ir aptuveni vienāda ar ±0,1 U 0 . Tāpēc germānija diožu svārstību amplitūda parasti ir 2-10 mV.

Pietiekami mazu amplitūdu iespējams nodrošināt tikai tad, ja diodes pretestība darba punktā ir aptuveni vienāda ar slodzes pretestību Rn un ķēdes Req paralēlo savienojumu. Tā kā, kā mēs jau redzējām, ķēdei ar vidējo kvalitātes koeficientu ir Req≈105 omi, šis nosacījums ir praktiski līdzvērtīgs |R|=Rn. Šajā gadījumā slodzē ņemtā svārstību jauda Tipiskām vērtībām|R|=20 omi un A=5 mV, jauda P=1,2 μW.

Ja nelineārie kropļojumi nav nozīmīgi, tad varam pieņemt, ka svārstību amplitūda ir vienāda ar U 2 -U 1 . Šajā gadījumā germānija diožu izejas jauda būs vienāda ar

VHF un mikroviļņu diapazonā ģeneratoru ķēžu konstruēšanas princips paliek nemainīgs, tikai ķēžu vietā ar viengabalainajiem elementiem C un L tiek izmantotas sadalītas sistēmas, piemēram, līnijas vai dobuma rezonatori.

Pēc ārvalstu datiem, šobrīd sasniegtā ģenerēšanas augšējā frekvences robeža nedaudz pārsniedz 100 GHz (λ-3 mm). Izejas jauda ir vairāki mikrovati.

Pastiprinātāji uz tuneļdiodēm. Vienkāršākā platjoslas tuneļa diodes pastiprinātāja shēma ir parādīta attēlā. 4a un attēlā. 4b parāda tā ekvivalento ķēdi. Pastiprinātāja darbības princips ir šāds. Pieņemsim, ka ģeneratora iekšējā pretestība Rg izrādās daudz lielāka par slodzes pretestību Rn, tad ķēdē, kas veidojas no paralēlā savienojuma Rn un TD tuneļa diodes, var plūst patvaļīgi liela strāva, ja Rn ir tendence |R|. Citiem vārdiem sakot, negatīvā pretestība |R| var izvēlēties tādu, lai tas gandrīz pilnībā kompensētu slodzes Rn radītos zaudējumus. Līdz ar to slodzes izejas jauda var būt daudzkārt lielāka nekā no ģeneratora iegūtā jauda.

Gadījumā, ja pretestība Rg izrādās samērīga ar Rn, diode jāizvēlas tā, lai tās diferenciālā pretestība absolūtā vērtībā būtu nedaudz lielāka par

Fakts, ka pretestība |R| vienmēr vajadzētu būt nedaudz lielākam par Rn vai Rp, jo tikai šādos apstākļos pastiprinātājs darbosies stabili, t.i., būs iespējams “stabili” iestatīt darbības punktu raksturlīknes krītošajā daļā (2. punkts in). 1. att.).

Kā izriet no att. 4, un oscilatora izejas spailes ir kopīgas ar pastiprinātāja izejas spailēm. Kā minēts iepriekš, šis apstāklis ​​sarežģī uz tuneļdiodēm balstītu daudzpakāpju pastiprinātāju uzbūvi. Apraides joslās vēl nav pietiekami daudz efektīvi veidi, ļaujot "atsaistīt" vienu kaskādi no citas. Tāpēc šajās frekvencēs parasti tiek izmantoti vienpakāpes pastiprinātāji. Mikroviļņu diapazonā kā atsaistes elementi tiek izmantoti ferīta virziena savienotāji - cirkulācijas sūkņi, kas ļauj "virzīt" elektriskās svārstības tikai vienā virzienā un tādējādi atdalīt ieeju no izejas.

Rīsi. 4. Platjoslas pastiprinātāja shēmas (a), līdzvērtīgas (b) shēmas.

Jāpiebilst, ka tuneļdiožu pastiprinātāju izmantošana apraides frekvenču diapazonā nav īpaši perspektīva. Šajā diapazonā ir lietderīgāk izmantot tranzistorus, kuriem ir diezgan labas pastiprināšanas īpašības un kas ļauj izveidot stabilus daudzpakāpju pastiprinātājus, vienlaikus patērējot aptuveni tādu pašu jaudu no strāvas avotiem kā tuneļdiodes.

Tā kā pastiprinātājiem un tuneļdiodēm nav atsevišķas ieejas un izejas, to pastiprinājuma definīcijai ir savas īpašības. Šajā gadījumā jaudas pieaugums tiek saprasts kā jaudu attiecība slodzē, kad diode ir ieslēgta un izslēgta.

Tādējādi šis koeficients parāda, cik lielu jaudu tuneļa diode “ievada” slodzē, salīdzinot ar pasīvo ķēdi, kas veidojas no pretestībām Rg un Rn. Tāpēc to parasti sauc par ievietošanas pastiprinājumu Kv. Priekš vienkāršākā ķēde att. 4 vērtība Kv ieslēgts zemas frekvences var aprēķināt, izmantojot šādu formulu:

Ja |R|=Rп pastiprinājums pārvēršas līdz bezgalībai. Tas nozīmē, ka ķēde kļūst nestabila. Tāpēc Rp vienmēr tiek izvēlēts nedaudz mazāks par |R|.

Lielākā daļa tuneļdiožu pastiprinātāju ir rezonanses tipa pastiprinātāji. Šajā gadījumā paralēli slodzes pretestībai tiek pieslēgta induktivitāte L, kas kopā ar diodes kapacitāti veido rezonanses ķēdi. Autors izskats rezonanses pastiprinātāja ķēde neatšķiras no ģeneratora ķēdes, kas parādīta attēlā. 10. Atšķirība starp tām ir saistīta tikai ar to, ka pie rezonanses frekvences pastiprinātāja ķēdē nav izpildīti paši ierosmes nosacījumi, savukārt ģeneratora ķēdē šis nosacījums ir nepieciešams. Pastiprinātāja ķēdē pie frekvencēm, kas nav rezonanses, ķēde šuntē slodzi un pastiprinājums tiek samazināts.

Jebkura pastiprinošā elementa svarīga īpašība ir tā kvalitātes faktors, kas definēts kā joslas platuma un sprieguma pieauguma reizinājums. Ir zināms, ka elektronu lampām šī vērtība ir Tuneļdiodēm, kā to ir viegli parādīt, sprieguma pieaugums K U \u003d √Kv. Tuneļa diodes kvalitātes koeficientu izsaka ar šādu formulu:

Pie vērtībām|R|=20 omi un C=10 pf kvalitātes koeficients Δf/Ku≈800 MHz. Tas nozīmē, ka uz parastās tuneļdiodes var uzbūvēt pastiprinātāju ar joslas platumu 40 MHz un pastiprinājumu Ki=20 (Kv=400). Dotās vērtības vienpakāpes lampu pastiprinātājam ir pilnīgi nesasniedzamas, jo mūsdienu vakuumlampu labākais kvalitātes faktors ir aptuveni 200 MHz.

Mūsdienu augstfrekvences tuneļdiodes pastiprinātāju konstrukcijas ir ļoti dažādas. To izmēri un svars lielā mērā ir atkarīgi no darbības frekvences, kas nosaka sadalīto svārstību ķēžu un regulēšanas elementu izmērus.

Mūsdienu tuneļdiožu pastiprinātāji darbojas līdz vairāku desmitu gigahercu (λ≤1 cm) frekvencēm ar pastiprinājumu Ku=10 3 -10 4 (ti, 30-40 dB).

Impulsu ķēdes uz tuneļa diodēm.Šīs shēmas var iedalīt trīs galvenajos veidos: multivibratori, atsevišķi vibratori (gaidīšanas multivibratori) un flip-flops. Pēdējos divus ķēžu veidus bieži dēvē par sprūda shēmām, jo ​​tās darbojas tikai tad, ja ir ārējs sprūda. Vienkāršākās sprūda shēmas uz tuneļa diodes ir parādītas attēlā. 5.

Rīsi. 5. Sprūda ķēdes uz tuneļa diodēm, a - sprūda ķēde; b - viena vibratora ķēde.

Uz att. 5a parādīta sprūda ķēde.Šīs ķēdes darbības princips ir šāds. Ja pretestība barošanas ķēdē R2 ir izvēlēta ļoti liela, lai nosacījums R 2 ≥|R| būtu izpildīts, tad slodzes līnija, kā parādīts att. 1 atbildīs taisnei R 2 . Tāpēc diode tiks vai nu barota U" vai U". Citas stabilas līdzsvara pozīcijas nevar būt.

Pieņemsim, ka sākuma pozīcija ir punkts 1. Ja tagad caur pretestību Rg≥|R| pieliek diodei impulsu no ārējā ģeneratora, tad darbības punkts var “pāriet” no 1. pozīcijas uz 3. pozīciju. Tas notiks tikai tad, ja iedarbināšanas impulsa strāvas I 1 \u003d u / Rg amplitūda izrādīsies lielāka nekā starpība Imax-I 2 (1. att.).

Pēc tam, kad ķēde "pārgāja" citā līdzsvara stāvoklī (3. punkts 1. attēlā), tās atkārtotai darbībai jau ir nepieciešams pielietot negatīvas polaritātes impulsu ar amplitūdu, kas lielāka par I 3 -Imin. Pieliekot ķēdei (5. att., a) dažādu polaritāti impulsu secību, izejā iespējams iegūt svārstības ar amplitūdu U "-U", kas pēc formas ir tuvas taisnstūrveida.

Ķēdes pārslēgšana no viena līdzsvara stāvokļa uz citu notiek ļoti īsā laika intervālā, kas ir proporcionāls |R|C. Šis laiks atbilst izejas impulsu frontes ilgumam.

Sprūda ir jebkura elektroniskā datora galvenais elements. Jo lielāks ir tās darbības ātrums, jo vairāk matemātisku darbību laika vienībā šī iekārta var veikt. Flip-flops, kuru pamatā ir tuneļa diodes, darbojas 10 -9 -10 -8 sekundes un tādējādi ir ļoti daudzsološi ātrdarbīgiem datoriem.

Ar sprūda palīdzību ir ļoti viegli veidot kvadrātveida viļņu impulsus no sinusoidāla sprieguma. Lai to izdarītu, bipolāru impulsu vietā ieejai ir jāpieliek harmonisks spriegums. Ķēdes izeja būs secība taisnstūrveida impulsi ar ieejas signāla frekvenci. Mūsdienu tuneļdiodes šajā režīmā darbojas droši līdz pat vairāku desmitu megahercu frekvencēm.

Cits sprūda ķēdes veids - viens vibrators - ir parādīts attēlā. 5 B. Šajā gadījumā nobīdes avota spriegumu E1 un pretestību R" 2 vai R" 2 izvēlas tā, lai slodzes līnija šķērsotu diodes strāvas-sprieguma raksturlīkni tikai vienā punktā jebkurā no tās augšupejošajiem zariem (6. att.). . Ja sākotnējais darbības punkts atbilst 1. pozīcijai, tad ārēja pozitīva strāvas impulsa ietekmē ķēde tiks “pārnesta” un 3. punkta apgabals uz citu raksturlīknes augšupejošo sadaļu un paliks tur līdz ārējais signāls. noņemts.

Rīsi. 6. Dažādi viena vibratora darbības režīmi.

Pēc ārējā signāla noņemšanas ķēde atgriezīsies sākotnējā stāvoklī nevis uzreiz, bet pēc kāda laika, ko nosaka pretestības R "2, Rg un diodes parametri. Ja darba punkts ir izvēlēts punktā 3 (1. att. ), tad, lai ķēde darbotos, tās ievadei ir jāpiemēro negatīvu impulsu secība.

Tādējādi pie viena vibratora izejas ir iespējams iegūt taisnstūrveida impulsu secību ar kalibrētu ilgumu, kas nav atkarīgs no ieejas signāla formas un ilguma.

Sprūda ķēdē uz vienas tuneļa diodes, kas aplūkota iepriekš (5. att., a), sprūda apstākļi no punkta 1 līdz 3 var ievērojami atšķirties no sprūda apstākļiem no punkta 3 līdz 1. Tas ir saistīts ar faktu, ka strāva -sprieguma raksturlielums Imax un Imin reģionā ir asimetrisks un līdz ar to atkarībā no pārslēgšanas virziena ķēdes darbībai nepieciešamā iedarbināšanas signāla amplitūda var būt atšķirīga. Tā kā ieejas signāliem parasti ir vienāda amplitūda un ilgums, šis trūkums var izraisīt ķēdes neuzticamu darbību vienā no virzieniem.

No šī trūkuma ķēde uz divām tuneļdiodēm (7. att.), ko ārzemju literatūrā parasti sauc par "Twin" ķēdi, ir brīva. Šajā shēmā vienu no diodēm, piemēram, TD2), var uzskatīt par slodzes pretestību diodei TD1. Tad, lai izveidotu slodzes līniju diodei TD1, pietiek ar TD2 diodes apgrieztās strāvas-sprieguma raksturlīknes izveidi no punkta U=E (8. att.). Šādas konstrukcijas rezultātā mēs iegūsim divus raksturlielumus, kas krustojas trīs punktos, un punkts 2 paliks nestabils, bet punkts 1 un 3 paliks stabils. Tā kā nobīdes akumulatora viduspunkts ir iezemēts, 2. punkts attēlā. 8 atbildīs nulles potenciālam attiecībā uz "zemi". Tāpēc nosacījumi shēmas "Twin" palaišanai būs tieši vienādi jebkurā virzienā. Šajā gadījumā, protams, ir jāizvēlas diodes ar vienādām īpašībām.

Rīsi. 7. ķēdes shēma"Dvīnis"

Rīsi. 8. Strāvas-sprieguma raksturlielums ķēdei "Twin".

Spriegums, kas ņemts no Twin ķēdes, ir parādīts attēlā. 9. Šeit jūs to varat redzēt izejas spriegums mainās no +U" uz -U".

Rīsi. 9. Sprieguma forma pie ķēdes "Twin" izejas.

"Twin" ķēde var darboties arī kā multivibrators, ja starp "zemes" spaili un izejas spaili ir pievienota induktivitāte L (10. att.). Šajā gadījumā punkti 1 un 3 (8. att.) kļūst nestabili, ja L>8|R| -2 C, kur |R| - diodes vidējā diferenciālā pretestība raksturlīknes krītošajā daļā (6. att.). Svārstību forma pie multivibratora izejas ir tuvu taisnstūrveida formai (9. att.).

Rīsi. 10. Multivibratora shematiskā diagramma.

Nelielu svārstību asimetriju var panākt, izmantojot diodes ar dažādiem parametriem. Pulsa plakanās daļas ilgumu var aptuveni novērtēt, izmantojot šādu formulu:

kur r L ir induktora pretestība līdzstrāvai, un r 1 ir diodes pretestība līdzstrāvai raksturlīknes sadaļā no U 0 līdz U 1. Parasti r 1 ir daži omi. Strāvas padeves spriegums E/2 ir jāizvēlas starp U 0 un U 2 .

Aplūkotās shēmas neizsmeļ tuneļa diodes pielietojuma daudzveidību dažādās radiotehnikas ierīcēs. Jāpiebilst, ka tuneļdiode izrādās ļoti perspektīva ierīce ļoti zemu spriegumu (apmēram 1 mV) noteikšanai, augstu frekvenču pavairošanai un konvertēšanai utt. pēdējie laiki parādījās tādas ierīces kā tuneļa izstarotāja tranzistori, kas ļāva izveidot progresīvākas impulsu shēmas.

Jāpiebilst arī, ka pētījumi pusvadītāju tuneļa efekta fizikas izpētes jomā un šo efektu izmantojošo ierīču radīšana vēl ne tuvu nav pabeigti. Tāpēc tuvākajā nākotnē šajā jomā būtu gaidāmi daudzi jauni atklājumi un izgudrojumi.

Elektronu tunelēšanas pāreja caur \(p\)-\(n\)-pāreju ir iespējama, ja pārejas biezums ir mazs un enerģijas līmeņi, kas piepildīti ar elektroniem vienā reģionā, atbilst tiem pašiem brīvajiem atļautajiem enerģijas līmeņiem. kaimiņu reģions. Šie nosacījumi ir izpildīti savienojumos, ko veido pusvadītāji ar augstu piemaisījumu koncentrāciju (deģenerēti pusvadītāji). Šādos apstākļos \(p\)-\(n\) krustojuma platums ir ļoti mazs, kas rada lielu elektriskā lauka intensitāti krustojumā un iespējamību, ka elektroni tuneļos caur potenciālo barjeru.

tuneļa diode - Šī ir pusvadītāju diode, kuras pamatā ir deģenerēts pusvadītājs, kurā tuneļa efekts noved pie negatīvas diferenciālās vadītspējas sekcijas parādīšanās strāvas-sprieguma raksturlīknē ar tiešo spriegumu. Tuneļa diodes strāvas-sprieguma raksturlielums ir parādīts att. 2,7-1.

Rīsi. 2.7-1. Tuneļdiodes strāvas-sprieguma raksturlielums

Tuneļa strāva var iet caur krustojumu abos virzienos. Tomēr priekšējā slīpuma reģionā tuneļa strāva vispirms strauji palielinās un pēc noteiktas maksimālās vērtības sasniegšanas strauji samazinās. Strāvas samazināšanās ir saistīta ar faktu, ka, palielinoties elektriskā lauka stiprumam krustojumā virzienā uz priekšu, samazinās elektronu skaits, kas spēj izveidot tuneļa savienojumu. Pie noteiktas tiešās sprieguma vērtības šādu elektronu skaits kļūst vienāds ar nulli un tuneļa strāva pilnībā izzūd. Turpmāks tiešā sprieguma pieaugums ietekmē tikai tiešās difūzijas strāvu, kas palielinās, palielinoties spriegumam, tāpat kā ar parastajām taisngrieža vai universālajām diodēm. Tuneļa diožu apgrieztā nobīdes reģionā tiek novērots tikai straujš tuneļa strāvas pieaugums, palielinoties apgrieztais spriegums.

Tā kā tuneļa diodes \(p\)-\(n\)-pārejas biezums ir ļoti mazs, elektronu pārejas laiks caur to ir ļoti mazs, tāpēc tuneļa diode zemsprieguma apgabalā ir praktiski bezinerces ierīce. Tās frekvences raksturlielumu nosaka galvenokārt krustojuma barjeras kapacitāte un dažādas noplūdes.

Sekcijas klātbūtne ar negatīvu diferenciālo pretestību (sprieguma pieauguma attiecība pret strāvas pieaugumu) uz tuneļa diodes strāvas-sprieguma raksturlielumiem ļauj izmantot diodi elektrisko svārstību pastiprinātājos un ģeneratoros, kā arī dažādos impulsu ierīces, kas ir vēl jo vairāk pamatoti, ņemot vērā tuneļa diožu lielo ātrumu. Kvalitatīvie rādītājišādas ierīces nosaka sekcijas garums un linearitāte ar negatīvu diferenciālo pretestību uz diodes I-V raksturlielumiem. Atkarībā no pielietojuma, kurā no iepriekš minētajām ierīcēm tās ir paredzētas, tuneļa diodes tiek sadalītas pastiprinot, ģenerējot un pārslēgšana.

Katram tuneļa diožu veidam ir savas īpašības. Piemēram, ģeneratora diodēm ļoti svarīga ir negatīvās diferenciālās pretestības sekcijas linearitāte, jo tas nodrošina harmoniku neesamību ģenerētajā signālā, un pārslēgšanas diodēm vissvarīgākais ir šīs sekcijas stāvums.

Tā kā tuneļdiožu ražošanā tiek izmantoti deģenerēti pusvadītāji, kas vadītspējas ziņā ir tuvi metāliem, darba temperatūrašo diožu temperatūra tuvojas 400 °C. Tomēr zemā darba sprieguma un mazo savienojuma vietu dēļ tuneļdiodēm ir ļoti maza jauda.

Tuneļdiode ir pusvadītāju diode, kuras pamatā ir p + -n + pāreja ar stipri leģētiem apgabaliem, kuras strāvas-sprieguma raksturlīknes taisnajā posmā tiek novērota strāvas n-veida atkarība no sprieguma. 4.14. attēlā parādīts tipiskas tuneļa diodes strāvas-sprieguma raksturlielums tiešā nobīdē.

Analizēsim tuneļa diodes strāvas-sprieguma raksturlielumus. Lai to izdarītu, apsveriet p + -n + krustojumu, ko veido divi deģenerēti pusvadītāji.

Ja donoru un akceptoru koncentrācija diodes emitētājā un bāzē ir N A , N D ~ 10 20 cm -3 , tad vairākuma nesēju koncentrācija būs daudz lielāka par stāvokļu efektīvo blīvumu atļautajās joslās p p0 , n . n0 >> N C , N V . Šajā gadījumā Fermi līmenis būs atļautajās p + un n + pusvadītāju joslās.

Rīsi. 4.14. Tuneļa diode 1I104:
a) strāvas-sprieguma raksturlielums ar novirzi uz priekšu; b) tuneļdiodes dizains

N + tipa pusvadītājā visus stāvokļus vadītspējas joslā līdz Fermi līmenim aizņem elektroni, bet p + tipa pusvadītājā - caurumi. Divu deģenerētu pusvadītāju veidota p + -n + savienojuma joslu diagramma parādīta 4.15. attēlā.

Rīsi. 4.15. Joslu diagramma p + -n + pārejas līdzsvarā

No pašreizējās difūzijas strāvas (tiešās) analīzes viedokļa ir liels potenciālās barjeras augstums. Lai iegūtu tipiskas tiešās strāvas vērtības, jāpielieto liels tiešais spriegums (lielāks par vai aptuveni vienāds ar pusi joslas spraugas E g /2). Izteiksmē dreifējošajai strāvai (reversai) mazākuma nesēju p n0 = n i 2 /N D koncentrācija ir maza un tāpēc arī reversā strāva būs maza.

Aprēķiniet deģenerāta ģeometrisko platumu p-n krustojums. Pieņemsim, ka šajā gadījumā tiek saglabāta p-n savienojuma asimetrija (p + ir vairāk leģēts apgabals). Tad pārejas platums p + -n + ir mazs:

Elektrona de Broglie viļņa garumu var novērtēt no vienkāršām attiecībām:

Tādējādi p + -n + pārejas ģeometriskais platums ir salīdzināms ar elektrona de Broglie viļņa garumu. Šajā gadījumā deģenerētā p + -n + pārejā var sagaidīt kvantu mehānisko efektu izpausmes, no kurām viena ir tunelēšana caur potenciālo barjeru. Šaurai barjerai iespējamība, ka tunelī izies cauri barjerai, nav nulle.

Sīkāk aplūkosim tuneļu savienojumus deģenerētos p + -n + savienojumos pie dažādiem spriegumiem. 4.16. attēlā parādīta apgrieztās nospriegotas tuneļa diodes joslas diagramma.

Rīsi. 4.16. Tuneļa diodes joslas diagramma ar apgrieztu nobīdi

Ar reverso spriegumu strāva diodē ir saistīta ar elektronu tunelēšanas pāreju no valences joslas uz brīvām vietām vadīšanas joslā. Tā kā elektronu koncentrācija un vietu skaits ir augsts, tuneļa strāva strauji palielinās, palielinoties reversajam spriegumam. Šī strāvas sprieguma raksturlielumu uzvedība krasi atšķir tuneļa diodi no parastās. taisngrieža diode.

Izmantojot tiešo spriegumu, strāva diodē ir saistīta ar elektronu tunelēšanas pāreju no vadīšanas joslas uz brīvām vietām valences joslā. Tā kā tuneļu pārejas notiek bez izkliedes, tas ir, saglabājot tuneļa daļiņas enerģiju, šie procesi joslu diagrammā tiks atspoguļoti ar taisnām horizontālām līnijām. 4.17. attēlā parādītas tuneļa diodes joslu diagrammas ar priekšējo nobīdi, kas atbilst trim punktiem strāvas-sprieguma raksturlīknes priekšējā daļā.

Rīsi. 4.17. Tuneļa diodes zonu diagrammas ar novirzi uz priekšu:
a) 1. sadaļa; b) 2. sadaļa; c) 3. sadaļa

1. sadaļā pie neliela tiešā sprieguma brīvas vietas valences joslā sāk parādīties pretī vadīšanas joslas elektroniem ar tādu pašu enerģiju. Palielinoties spriegumam, palielinās brīvo vietu skaits un palielinās strāva, palielinoties spriegumam. Tunelēšanas strāva sasniedz maksimumu, kad visas brīvās vietas valences joslā ir pretējas enerģijas līmeņiem, ko aizņem elektroni vadītspējas joslā (2. segments). Tad, palielinoties tiešajam spriegumam, šo brīvo vietu skaits sāk samazināties, jo stāvokļi joslas spraugā parādās pretēji līmeņiem, ko aizņem elektroni vadītspējas joslā (ideālos pusvadītājos joslas spraugā nav enerģijas līmeņu) . 3. sadaļā tuneļa strāva samazinās, palielinoties spriegumam un pārvēršas līdz nullei, kad pusvadītāja joslas sprauga p + ir pretēja enerģijas līmenim, ko vadīšanas joslā aizņem elektroni.

Ar turpmāku tiešā sprieguma pieaugumu, parastās difūzijas sastāvdaļa pašreizējā p-n pāreja.

3. sadaļa 4.17. attēlā ir sadaļa ar negatīvu diferenciālo pretestību.

Ļaujiet mums sīkāk apsvērt tuneļa diodes strāvas-sprieguma raksturlielumus.

Vienādojuma (4.18) atrisinājumam tiešas pārvietošanas gadījumā ir šāda forma:

(4.24)

kur ε 1 un ε 2 ir attālums no Fermi enerģijas līdz vadītspējas joslas apakšai vai valences joslas augšai.

Rīsi. 4.18. Tiešās strāvas temperatūras atkarība no sprieguma tuneļa diodēs:
a) germānija diode 1I403; b) gallija arsenīda diode 3I202

Tuneļdiodes strāvas-sprieguma raksturlielumu aprēķins saskaņā ar vienādojumu (4.24) dod labu atbilstību eksperimentam. 4.18. attēlā parādīta tiešās strāvas temperatūras atkarība no sprieguma tuneļdiodēs, kas izgatavotas no germānija un gallija arsenīda. Var redzēt, ka diodei ar plašāku spraugu GaAs materiālu nekā Ge, pie lielām tiešā sprieguma vērtībām tiek novērots strāvas minimums.

Ņemiet vērā, ka tuneļa diodei ir augstas maksimālās robežfrekvences f max ~ 10 9 Hz vērtības, jo tunelēšanas procesa laiki ir nanosekundes, tas ir, τ min ~ 10 -9 s. Šī iemesla dēļ mikroviļņu tehnoloģijā tiek izmantotas tuneļdiodes.

Apsveriet volt-ampēru p-n raksturlielumi pāreja īpašā gadījumā, kad Fermi enerģija elektronu un caurumu pusvadītājos sakrīt vai atrodas + kT/q attālumā no vadītspējas joslas apakšas vai valences joslas augšdaļas. Šajā gadījumā šādas diodes ar apgriezto nobīdi strāvas-sprieguma raksturlielumi būs tieši tādi paši kā tuneļa diodei, tas ir, palielinoties reversajam spriegumam, strauji palielināsies reversā strāva. Attiecībā uz strāvu ar novirzi uz priekšu, I–V raksturlieluma tunelēšanas komponents pilnībā nebūs, jo vadīšanas joslā nav pilnībā aizpildītu stāvokļu. Tāpēc, ja šādās diodēs ir novirzīts uz priekšu uz spriegumiem, kas ir lielāki vai vienādi ar pusi joslas spraugas, strāvas nebūs. No taisngrieža diodes viedokļa šādas diodes strāvas-sprieguma raksturlielums būs apgriezts, tas ir, būs augsta vadītspēja ar pretējo nobīdi un zema ar priekšējo nobīdi. Šajā sakarā šāda veida tuneļa diodes sauc par apgrieztām diodēm. 4.19. attēlā parādīts apgrieztās diodes strāvas-sprieguma raksturlielums.

Rīsi. 4.19. Strāvas sprieguma raksturlielums germānija apgrieztajai diodei GI403:
a) pilns CVC; b) CVC reversā daļa dažādās temperatūrās

Tādējādi apgrieztā diode ir tuneļa diode bez negatīvas diferenciālās pretestības sekcijas. Strāvas-sprieguma raksturlīknes augstā nelinearitāte pie zemiem spriegumiem tuvu nullei (mikrovoltu secībā) ļauj izmantot šo diodi vāju signālu noteikšanai mikroviļņu diapazonā.

Atšķirībā no visiem pārējiem pusvadītāju diodes tuneļdiožu ražošanai izmanto deģenerētus pusvadītājus ar augstu piemaisījumu koncentrāciju N=10 18 ÷10 20 cm -3 . Tā rezultātā biezums p-n- pāreja izrādās neliela apmēram 10–2 μm. Lādiņu nesēju tunelēšana ir iespējama caur šādām plānām potenciāla barjerām.

Tuneļa diodes CVC ir parādīts 13. attēlā. Attēlā parādīti punkti, kuriem ir konstruētas joslu diagrammas. Lai vienkāršotu rasējumus, apgabalu diagrammās barošanas avoti nav parādīti.

Diodē bez ārējās novirzes (punkts a) elektroni tunelē no n- jomās p- zonā un aizmugurē. Elektronu pretplūsmas ir vienādas, tāpēc kopējā strāva caur diodi ir nulle.

Ar nelielu priekšējo spriegumu pāri tuneļa diodei (punkts b), elektronu enerģija iekšā n- platība palielinās un enerģijas līmenis mainās uz augšu. Šajā gadījumā dominējošā elektronu tunelēšana no n- zonās lpp- reģionā, turklāt caur pazemināto potenciāla barjeru ir neliela elektronu difūzijas strāva.

Ar tiešo spriegumu pāri diodei U maksimums (punkts c), kad enerģijas līmeņi, ko aizņem elektroni n-reģioni būs vienādā augstumā ar brīvu enerģijas līmeni lpp- apgabala tuneļa strāva es maksimums būs maksimālais.

Turpmāk palielinoties tiešajam spriegumam (punkts d), tuneļa strāva samazināsies, jo strāva samazināsies enerģijas līmeņu nobīdes dēļ, elektronu skaits, kas spēj tunelēt no n- zonās lpp- platība.

Tuneļa strāva caur diodi būs nulle pie sprieguma U ieplakas (e punkts), kad brīvajiem elektroniem iekšā n- zonās lpp- zonā nebūs brīvi enerģijas līmeņi. Tomēr šajā gadījumā caur diodi iet līdzstrāva es depresijas, kas saistītas ar elektronu difūziju caur pazeminātu potenciāla barjeru.

Ar pretējo spriegumu pāri tuneļa diodei (punkts g), atkal rodas nosacījumi elektronu tunelēšanai no lpp- zonās n-novads. Apgrieztā strāva, kas rodas šajā gadījumā, palielināsies absolūtajā vērtībā, palielinoties apgrieztā sprieguma absolūtajai vērtībai. Var pieņemt, ka tuneļa pārrāvums notiek tuneļa diodē pie zemiem (absolūtās vērtības) reversajiem spriegumiem.

Tādējādi sprieguma diapazonā no U virsotne U bedrītes, tuneļa diodei ir negatīva diferenciālā pretestība. Tāpat kā jebkura ierīce ar negatīvu diferenciālo pretestību, tuneļa diode var tikt izmantota elektromagnētisko signālu ģenerēšanai un pastiprināšanai.

Tuneļa diožu galvenie parametri:

1. Maksimālā strāva es maksimums - strāva maksimālā CVC punktā, kurā atvasinājums . Šī strāva var svārstīties no miliampēru desmitdaļām līdz simtiem miliampēru.

2. Ielejas straume es siles - strāva minimālā CVC punktā, kurā .

3. Tuneļdiodes strāvu attiecība es virsotne / es ieplakas. Gallija arsenīda tuneļa diodēm es virsotne / es depresijas ≥10. germānija diodēm es virsotne / es siles =3÷6.

4. Maksimālais spriegums U maksimums - priekšējais spriegums, kas atbilst maksimālajai strāvai. Gallija arsenīda tuneļa diodēm U maksimums =100÷150mV, germānija diodēm U maksimums =40÷60mV.

5. Spriegojuma kritums U siles - priekšējais spriegums, kas atbilst siles strāvai. Gallija arsenīda tuneļa diodēm U ielejas =400÷500mV. germānija diodēm U siles =250÷350mV.

6. Šķīduma spriegums U pp - priekšējais spriegums, kas ir lielāks par ielejas spriegumu, pie kura strāva ir vienāda ar maksimālo strāvu.

7. Tuneļa diodes īpatnējā kapacitāte NO d / es maksimums - tuneļa diodes kapacitātes attiecība, ko mēra plkst es strāva no maksimuma līdz maksimumam.