ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД

Туннельный диод – полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, имеющий в ВАХ при прямом включении участки с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Условное обозначение туннельного диода приведено на рисунке 31.

Рискнок 31 – Условное обозначение туннельного диода

Туннельный эффект заключается в том, что электроны, энергия которых меньше высоты потенциального барьера, при определенных условиях могут преодолевать запрещенную зону без затрат энергии. Этот эффект возникает в p-n переходе с очень тонким запрещенным слоем. В туннельном диоде резко увеличена концентрация примеси, что по электропроводности приравнивается к металлу, поэтому его называют вырожденными полупроводником.

В обычном диоде возможно получить туннельный эффект. Энергетическая диаграмма обычного диода приведена на рисунке 32. На рисунке 32б приведена энергетическая диаграмма туннельного диода.

В туннельном диоде из-за резко увеличенной примеси в каждой области в начальном состоянии, когда к p-n переходу не приложено напряжение, электроны свободно переходят из валентной зоны в зону проводимости и обратно т.к. их энергетические уровни совпадают. Протекает ток I_{ТУН 1} (см. рисунок 32б)_.

а) б) в)

Рисунок 32 – Энергетические диаграммы

Если к диоду приложить прямое напряжение данная диаграмма начнет изменяться, p-область будет опускаться относительно диаграммы n-области. Протекает ток I_ТУН1 (см. рисунок б).

При дальнейшем повышении напряжения туннельный ток уменьшается. При определенном напряжении перекрытие областей прекращается. Туннельный эффект невозможен. Но при этом потенциальный барьер понижается на столько, что образуется ток диффузии, туннельный диод далее ведет себя как обычный диод (см. рисунок а).

Вольтамперная характеристика туннельного диода приведена на рисунке 33. Приложив к диоду напряжение от 0 до UП (пиковое) проводимость почти не изменяется (уч. 0-1). Дальнейшее увеличение прямого напряжения приведет к уменьшению туннельного эффекта. При напряжении UВ (впадины - точка 2) туннельный эффект полностью прекращается и ток в этом случае обусловлен током диффузии. В дальнейшем ток на туннельном диоде увеличивается в соответствии с изменением тока в обычном диоде UРР (раствора).

Рисунок 33 – ВАХ туннельного диода

Таким образом, туннельный диод имеет впалую характеристику (уч.1-3), для него характерно отрицательное сопротивление по переменному току на участке 1 – 2:

R_ДИФ = DU_ПР / DI_ПР < 0 ( )

При обратном включении ВАХ туннельного диода близка к ВАХ обычного резистора, поскольку область Р будет повышаться относительно диаграммы N-области и туннельный ток возрастает.

Включая туннельный диод в различные схемы, можно его отрицательное сопротивление скомпенсировать положительное активное сопротивление и получить режим усиления или генерации колебаний. Например, в колебательном контуре за счет потерь всегда имеются затраты энергии. Но с помощью отрицательного сопротивления туннельного диода можно уничтожить потери в контуре. Простейшая схема генератора колебаний с туннельным диодом приведена на рисунке 20.

Рисунок 34 – Схема включения туннельного диода