28. Структура та моделі тунельного діода, режими роботи.

Тунельний діод - напівпровідниковий прилад, принцип дії якого ґрунтується на тунельному ефекті в тонких p-n переходах і призначений для генерування та підсилення електричних сигналів.

В основу тунельних діодів покладено структуру p⁺ - n⁺ , тобто тунельні діоди створюються на підставі сильно легованих (вироджених) напівпровідників. Концентрація домішок в областях p і n досягає 10¹⁹-10²⁰ см^-3, у результаті чого ширина р-n переходів тунельних діодів на 2 порядки менша,ніж звичайних, і не перевищує 10^-2 мкм. Для виготовлення тунельних діодів використовують такі напівпровідникові матеріали: Ge, Si, GaAs, InSb.

За відсутності зміщувальної напруги на діоді встановлюється такий стан, коли ймовірність тунельного переходу електронів з p в n область і з n в р область виявляється однаковою і сумарний струм через діод дорівнює 0 (точка 0 на ВАХ). При прикладанні прямої напруги внаслідок зменшення потенціального бар’єру перекривання зон зменшується. За деякої прямої напруги, коли рівень Фермі в ЗП буде напроти верху ВЗ, повністю зайняті рівні зони провідності n-області максимально перекриваються з вільними рівнями ВЗ р-області, і тунельний струм діода в прямому напрямку зростає і досягає максимуму. Надалі із зростанням напруги струм починає зменшуватися, досягаючи мінімального значення. Подальше підвищення напруги понижує потенціальний бар’єр настільки, що виявляється можливим перехід носіїв над бар’єром, тобто з’являється дифузійний струм, який зростає із збільшення напруги так само, як у звичайному діоді.

I ₁ — максимальный туннельный ток, или пиковый ток;

I₂ — минимальный ток;

u₁ — напряжение, соответствующее максимальному току;

u₂ — напряжение, соответствующее минимальному току;

u₃ — напряжение, соответствующее диффузионному току, равному току максимума;

Δu= u₃ −u₁ —скачок напряжения при переходе с туннельной ветви характеристики на диффузионную;

Δu₂ ≈u₂ — скачок напряжения при переходе с диффузионной ветви на туннельную.

Тунельні діоди можуть працювати в режимах генератора, підсилювача. Можна побудувати імпульсні схеми,основні типи: мультивібратор, одно вібратор та тригери.

Обращённый диод — полупроводниковый диод, на свойства которого значительно влияет туннельный эффект в области p-n перехода. В отличие от туннельного диода вольт-амперная характеристикаобращённого диода практически не имеет «горба», что обусловлено немного меньшей, чем у туннельного диода, концентрацией примесей в полупроводнике. Из-за неполного легирования обладает значительной температурной зависимостью.

29. Функціональна схема та принцип дії генератора та підсилювача на тунеотному діоді.

Генератор на тунельному діоді.

За счет падающего участка ВАХ, туннельный диод способен усиливать колебания (при  ) и генерировать автоколебания (при  ). Благодаря быстродействию туннельного диода, устройства на его основе применяют в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн. Малосигнальная эквивалентная схема ТД может быть представлена в виде рис.3.

Рис.3.

Здесь r - сопротивление потерь в диоде, Lg - индуктивность выводов, C _g - емкость перехода. Типичные значения  =10-20 Ом (для германиевых диодов),  = 20-50 Ом (для диодов из арсенида галлия); C _g =2-30 пФ.

Принципиальная схема АГ на ТД показана на рис.4.

         

Рис.4.

Рис.5.

 С помощью сопротивлений  ,   устанавливается рабочая точка диода (на середине падающего участка ВАХ). Чтобы колебания в АГ были гармоническими желательно, чтобы отношение   не превышало 2-3. Амплитуда колебаний может быть определена с помощью линии нагрузки (рис.5). Из-за малого сопротивления диода контур подключается частично.

Уравнение для напряжения на контуре имеет вид.

.Колебания начнут увеличиваться по амплитуде при   , при  установится стационарный режим.

Підсилювач на тунельному діоді.