Туннельный диод

Туннельный диод — высокопроводящий, сильно легированный диод на базе p-n перехода, в котором ток индуцируется из-за туннелирования.

Туннелирование или туннельный эффект — это явление проводимости в полупроводниковом материале, в котором носитель заряда «пробивает» барьер, а не поднимается через него.

Туннельный диод представляет собой сильно легированный диод на базе p-n перехода. Концентрация примеси в обычном диоде составляет около 1 части на 108. А в туннельном диоде концентрация примеси составляет около 1 части на 103. Из-за сильного легирования полупроводник проводит ток, как в прямом направлении, так и в обратном направлении. Это быстрое переключающее устройство. Он используется в высокочастотных преобразователях, компьютерах и усилителях.

Обозначение туннельного диода на схеме

Обозначение туннельного диода на электрических схемах показано на рисунке ниже. Катод и анод являются двумя выводами из полупроводникового материала. Материал р-типа притягивает электроны, и поэтому он называется анодом, в то время как материал n-типа испускает электроны и называется катодом.

Обозначение туннельного диода

Конструкция туннельного диода

Туннельный диод имеет два вывода, а именно анод и катод. Полупроводник p-типа действует как анод, а полупроводниковый материал n-типа действует как катод. Для изготовления туннельного диода используются арсенид галлия, германий и антимонид галлия.

Устройство туннельного диода

Отношение пикового значения прямого тока к значению тока в долине максимально в случае германия и минимально при использовании кремния. Следовательно, кремний не используется для изготовления туннельного диода. Плотность легирования туннельного диода в 1000 раз выше, чем у обычного диода.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода

При прямом смещении туннельная проводимость наступает в диоде из-за их сильного легирования. Ток в диоде достиг своего максимального значения IP при подаче на него напряжения Vp. При дальнейшем увеличении напряжения ток через диод уменьшается. И он продолжает уменьшаться, пока не достигнет своего минимального значения. Это минимальное значение тока называется током впадины Iv.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода

Приведенный выше график показывает, что при переходе из точки А в точку В величина тока уменьшается с ростом напряжения. Итак, от A до B на графике показана область отрицательного сопротивления туннельного диода. Данная область показывает наиболее важное свойство диода. Здесь, в показанной области, туннельный диод отдает энергию, а не поглощает ее.

Принцип работы туннельного диода

Когда туннельный диод находится в состоянии равновесия, или мы можем сказать, что на диод не подается напряжение, в этом случае зона проводимости полупроводникового материала n-типа перекрывается с валентной зоной материала p-типа. Энергетические уровни дырок и электронов на стороне p и n соответственно остаются одинаковыми.

Когда температура повышается, электроны переходят от зоны проводимости n-области к валентной зоне p-области. Аналогично дырки, переходят от валентной зоны р-области до зоны проводимости n-области. Естественно, для туннельного перехода электрона через барьер из одной области в другую необходимо, чтобы по другую сторону барьера (место куда переходит электрон) имелось свободное состояние. Нулевой ток протекает через диод в состоянии равновесия.

Состояние равновесия туннельного диода

Когда небольшое напряжение подается на туннельный диод, величина которого меньше напряжения в области обеднения, тогда электроны не пересекают область обеднения, и через диод протекает нулевой ток. Немногие электроны из n-области зоны проводимости туннелируются в p-область валентной зоны. Из-за туннелирования электронов небольшой прямой ток течет через область обеднения.

Ток туннелирования диода протекание

Когда на туннельный диод подается полное напряжение, создается определенное количество электронов и дырок. Увеличение напряжения увеличивает перекрытие проводимости и валентной зоны. Уровни энергии валентной зоны n-стороны и зоны проводимости p-стороны равны. Таким образом, через туннельный диод протекает максимальный ток.

Максимальный ток туннельного диода

Когда прикладываемое напряжение еще больше увеличивается, валентная зона и зона проводимость туннельного диода слегка смещаются. Но зона проводимости области n-типа и валентная зона области p-типа все еще перекрываются. Небольшой ток течет через диод, и, таким образом, ток начинает уменьшаться.

Уменьшение тока туннельного диода

Если напряжение на проводнике сильно увеличивается, то туннельный ток падает до нуля. В этом состоянии зона проводимости n-стороны и валентная зона р-стороны не перекрывают друг друга, и туннельный диод ведет себя как обычный диод с PN-переходом. Если величина напряжения больше, чем контактная разность потенциалов, через диод течет прямой ток.

Понятие отрицательного сопротивления в туннельном диоде?

На графике выше показано, что между точкой Iv и Ip ток начинает уменьшаться, когда на него подается напряжение. Эта область графика называется областью отрицательного сопротивления. Это самая важная характеристика туннельного диода. В этой области туннельный диод генерирует энергию, а не поглощает ее.

Эквивалентная схема туннельного диода показана на рисунке ниже. Rs представляет сопротивление выводных клемм туннельного диода и полупроводникового материала. Оно примерно равно 5 Ом. Ls — индуктивность выводных клемм, и она почти равна 0,5 нГн. Cd — это диффузионная емкость перехода, и ее величина лежит в диапазоне от 5 до 100 пФ.

Эквивалентная схема туннельного диода

Преимущества и недостатки туннельного диода

Туннельный диод имеет низкую стоимость. У него низкий уровень шума, а его изготовление также очень просто. Диод дает быстрый отклик, и он умеренный в работе. Туннельный диод работает на малой мощности.

Недостатком туннельного диода является то, что выходное напряжение диода не является стабильным. Это двух контактное устройство, но его входные и выходные цепи не изолированы друг от друга.

Применение туннельного диода

Туннельный диод может использоваться в качестве усилителя и генератора для обнаружения малых высокочастотных сигналов или в качестве коммутатора. Это высокочастотный компонент, потому что он очень быстро реагирует на изменение значения входного сигнала.

Туннельный диод не получил слишком широкого применения, так как это слаботочное устройство.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *