3.9. Туннельный и обращенный диоды.

Туннельные диоды изготовляют из полупроводниковых материалов с высокой концентрацией примеси, называемых вырожденными полупроводниками. Запирающий слой в них уже, чем в обычных диодах (0,1—0,2 мкм), чем объясняется значительно большая напряженность электрического поля, обусловленная контактной разностью потенциалов (до 10⁶ В/см). Условное обозначение диода приведено на рис.3.9.1.

Рисунок 3.9.1. Условное обозначение туннельного диода.

Туннельный диод, как и другие типы диодов, является полупроводниковым прибором с двумя электродами и одним p-n-переходом. Его отличие от других диодов состоит в том, что p-n-переход туннельного диода изготовляется из полупроводниковых материалов с очень высокой концентрацией примесей. Толщина обедненного слоя в таком переходе получается очень малой, и даже при незначительных напряжениях, приложенных к переходу, возникает электрическое поле очень высокой напряженности. При этом возникает явление, называемое туннельным эффектом (отсюда и название этого прибора). Электрическое поле высокой напряженности вызывает непосредственный отрыв валентных электронов от атомов кристаллической решетки полупроводника. Возникающие при этом электронно-дырочные пары могут создавать так называемые туннельные токи (прямой и обратный), которые оказывают существенное влияние на вольтамперную характеристику p-n-перехода (рис.3.9.2).

Рисунок 3.9.2. Вольтамперная характеристика туннельного диода

Так, обратный туннельный ток во много раз превышает обратный ток p-n-перехода. При малых значениях прямого напряжения, когда переход еще закрыт, возникает прямой туннельный ток значительной величины. Этому соответствует участок ВАХ от начала координат до т. Б. Увеличение прямого напряжения приводит к ослаблению туннельного эффекта и уменьшению туннельного тока. Этому соответствует участок БВ. При дальнейшем росте прямого напряжения переход открывается, и его ВАХ соответствует прямой ветви характеристики p-n-перехода (участок от т. В и правее).

Прямая ветвь вольтамперной характеристики туннельного диода имеет две характерные точки – т. Б, называемую пиком туннельной характеристики, и т. В, называемую впадиной. Падающий участок ВАХ БВ характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением: R_i=ΔU₀/ΔI₀<0 (уменьшение тока при возрастании напряжения)

Благодаря наличию участка ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением туннельные диоды могут быть использованы в качестве активных элементов усилителей, генераторов и других устройств, традиционно выполняемых на других типах электронных приборов (электронных лампах или транзисторах).

Основными параметрами туннельного диода являются:

ток I_п и напряжение U_п пика ВАХ;

ток I_в и напряжение U_в впадины ВАХ;

напряжение раствора U_р при прохождении через диод тока, равного току пика на второй восходящей ветви ВАХ;

отношение тока пика к току впадины I_п/I_в;

дифференциальное сопротивление диода на падающем участке ВАХ.

Разновидностью туннельных диодов являются обращенные диоды. Их условное обозначение представлена на рис. 3.9.3.

Рисунок 3.9.3. Условное обозначение обращенного диода.

Они изготовляются из полупроводниковых материалов с несколько меньшей, по сравнению с туннельными, концентрацией примесей. ВАХ обращенного диода имеет следующий вид (рис. 3.9.4). Обратный туннельный ток быстро нарастает с ростом обратного напряжения примерно также, как в туннельном диоде. При прямом напряжении, в отличие от туннельного диода, нарастание туннельного тока очень незначительно, и заметный прямой ток появляется после того, как переход откроется. Таким образом, при малых напряжениях обращенный диод будет работать как выпрямитель, причем проводящей будет не прямая, а обратная ветвь ВАХ (отсюда и его название).

I_пр

U_обр U_пр

I_обр

Рисунок 3.9.4. Вольтамперная характеристика обращенного диода.