Туннельные диоды представляют особый интерес. По своему конструктивному оформлению туннельный диод аналогичен обычному плоскостному полупроводниковому диоду.
Туннельные диоды обладают свойствами, позволяющими использовать их для усиления, генерирования и преобразования электромагнитных колебаний до нескольких сот тысяч мегагерц. Усилители, выполненные на туннельных диодах, отличаются очень высоким коэффициентом усиления, низким уровнем шумов и могут работать при температурах, достигающих нескольких сот градусов Цельсия.
В туннельных диодах используют полупроводниковые материалы (арсенид галлия, германий) с высоким содержанием примесей, вследствие чего концентрация электронов и дырок оказывается равной 1018—1019 1/см3 (в обычных полупроводниковых диодах концентрация примесных атомов не превышает 1014—1015 1/см3). При такой концентрации примесей свойства полупроводника приближаются к свойствам металла.
Так как равновесная разность потенциалов и ширина приконтактного обедненного слоя на границе двух полупроводников с разными проводимости ми пропорциональны концентрации электронов и дырок, то в туннельных диодах ширина обедненного слоя оказывается очень малой (порядка 10-5 мм); напряженность же электрического поля на переходе возрастает до 5·104÷6·104 в/мм. При этом электроны могут свободно переходить из валентной зоны в зону проводимости, не затрачивая на это энергию; им не приходится преодолевать потенциальный барьер: они проходят сквозь него, как через «туннель», почти мгновенно за 10-10 — 10-13 сек.
 |
На рис. 80 показана вольт-амперная характеристика туннельного диода. Для сравнения пунктиром показана вольт-амперная характеристика обычного полупроводникового диода. Как видно, ток туннельного диода уже при небольших значениях напряжений в прямом и обратном направлениях резко возрастает. Рис. 80. Вольт-амперная характеристика туннельного диода. |
Туннельный ток в прямом направлении достигает максимального значения Iмакс при напряжении U1, равном примерно 0,06—0,1 в, после чего ток резко убывает и при напряжении U2, равном 0,2—0,3 в, достигает значения Iмин. Уменьшение тока объясняется уменьшением числа электронов, способных совершать туннельный переход.
Дальнейшее увеличение тока туннельного диода при возрастании напряжения (так же как и у обычного полупроводникового диода) связано с тепловым движением носителей зарядов через потенциальный барьер. При напряжении U3 ток туннельного диода опять достигает значения Iмакс.
Параметрами туннельных диодов, кроме указанных напряжений и токов, являются: максимальный перепад напряжений ΔU в режиме переключения ΔU = U3 — U1; отношение пикового тока к току минимума (к току седла), называемое коэффициентом отношения токов Н = Iмакс/Iмин и отрицательное сопротивление.
На участке вольт-амперной характеристики в интервале напряжений от U1 до U2 с ростом напряжения ток падает: на этом участке туннельный диод обладает некоторым отрицательным сопротивлением Rд. В паспорте туннельного диода, как правило, указывают минимальное значение отрицательного сопротивления:
