Как устроен туннельный диод

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.

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.

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

О работоспособности туннельного диода можно судить по характеру изменения тока при повышении/понижении напряжения, прилагаемого к детали. Для этой цели собирают несложную схему.

Источником тока в этой схеме выступает гальванический элемент, имеющий ток разряда 50 мА. Для проведения измерений берем миллиамперметр, у которого ток полного отклонения должен быть не меньше, чем ток проверяемого туннельного диода. Движок переменного резистора R1 выставляют в крайнее правое положение. Диод присоединяют к зажимам З1 и З2.

Движком уменьшают сопротивление резистора. Если деталь работоспособна, то ток, показываемый миллиамперметром, быстро возрастает, а затем, достигнув максимального значения, идет на резкое снижение и достигает минимума. Дальнейшее снижение сопротивления приводит к росту тока до первого максимального значения. Доводить величину тока до значения превышающего первый максимум, не рекомендуется.