3 Туннельный диод (+5 стр

2.2.2. Туннельный диод

В СВЧ технике находит применение туннельный диод (ТД) – полупроводниковый прибор, работающий на частотах до 10 ГГц. Он используется в генераторах, усилителях, частотных преобразователях и переключателях. Его рабочие мощности невелики, но это первый полупроводниковый прибор, способный эффективно работать на столь высоких частотах. Туннельный диод был изготовлен в 1958 году Лео Исаки, который в 1973 году получил Нобелевскую премию по физике за экспериментальное обнаружение эффекта туннелирования электронов в этих диодах.

Туннельный диод – это полупроводниковый диод на основе p⁺– n⁺ перехода с сильнолегированными областями, на прямом участке вольт – амперной характеристики которого наблюдается N–образная зависимость тока от напряжения. На рисунке 2.10 изображена конструкция туннельного диода (б), приведена вольт–амперная характеристика типичного туннельного диода при прямом смещении (а).

Рис. 2.10. Туннельный диод: а) вольт – амперная характеристика при прямом смещении; б) конструкция туннельного диода; в) условное обозначение

Проанализируем особенности вольт – амперной характеристики туннельного диода. Для этого рассмотрим p⁺– n⁺ переход, образованный двумя вырожденными полупроводниками.

Если концентрация доноров и акцепторов в эмиттере и базе диода будет близка к 10²⁰ см^-3, то концентрация основных носителей будет много больше эффективной плотности состояний в разрешенных зонах. В этом случае уровень Ферми будет находиться в разрешенных зонах p⁺– и n⁺–полупроводников.

В полупроводнике n⁺ – типа все состояния в зоне проводимости вплоть до уровня Ферми заняты электронами, а в полупроводнике p⁺– типа – дырками. Зонная диаграмма p⁺– n⁺ перехода, образованного двумя вырожденными полупроводниками, приведена на рисунке 2.11.

Рис. 2.11. Зонная диаграмма p⁺– n⁺ перехода в равновесии

Туннельный эффект в узких переходах при высоких напряженностях электрического поля может существенно повлиять на ход вольт – ампер­ной характеристики p–n перехода.

Рассмотрим более подробно туннельные переходы в вырожденных p⁺ – n⁺ переходах при различных напряжениях. На рисунке 2.12 показана зонная диаграмма туннельного диода при обратном смещении.

При обратном напряжении, ток в диоде обусловлен туннельным переходом электронов из валентной зоны на свободные места в зоне проводимости. Туннельный ток резко возрастает с ростом обратного напряжения, поскольку концентрация электронов и дырок велики. Такое поведение вольт – амперных характеристик резко отличает туннельный диод от обычного выпрямительного диода.

При прямом напряжении ток в диоде обусловлен туннельным переходом электронов из зоны проводимости на свободные места в валентной зоне. Поскольку туннельные переходы происходят без рассеяния, то есть с сохранением энергии туннелирующей частицы, то на зонной диаграмме эти процессы будут отражены прямыми горизонтальными линиями. На рисунке 2.12 показаны зонные диаграммы туннельного диода при прямом смещении, соответствующие трем точкам на прямом участке вольт – амперной характеристики.

Рис. 2.11. Вольт – амперная характеристика туннельного диода (а) и его зонная диаграмма при обратном смещении (б)

Рис. 2.12. Зонные диаграммы туннельного диода при прямом смещении: а) участок 1; б) участок 2; в) участок 3

На участке 1 при небольшом прямом напряжении напротив электронов зоны проводимости начинают появляться свободные места в валентной зоне при той же самой энергии. По мере роста напряжения число свободных мест возрастает, и ток растет с ростом напряжения. Туннельный ток достигает максимума, когда все свободные места в валентной зоне оказываются по энергии напротив энергетических уровней, занятых электронами в зоне проводимости (участок 2). Затем, по мере роста прямого напряжения, число этих свободных мест начинает уменьшаться, поскольку по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости оказываются состояния в запрещенной зоне (энергетические уровни в идеальных полупроводниках в запрещенной зоне отсутствуют). На участке 3 туннельный ток уменьшается с ростом напряжения и превращается в ноль, когда запрещенная зона p⁺–полупроводника будет находиться по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости.

При дальнейшем росте прямого напряжения появляется компонента обычного диффузионного тока p–n перехода. Участок 3 на рисунке 2.12 – это участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

В отличие от других СВЧ приборов туннельные диоды имеют отрицательную активную проводимость в широком диапазоне частот вплоть до f = 0.

Рис. 2.13. Эквивалентная схема замещения туннельного диода (а). Топологическая схема микрополоскового усили­теля, выполненного на основе ТД (б). Структур­ная схема усили­теля (в)

При изготовлении ТД прини­мают меры для снижения L_noc до значений менее 0,1 нГн путем уменьшения высоты керамической втулки корпуса и использования конструкций с балочными выводами. Емкость диодной структуры для увеличения крайней частоты f_кр должна быть небольшой (0,2–2,5 пФ). Усилитель на туннельном диоде является регенеративным усилите­лем. В нем усиление сигнала достигается за счет введения в цепь элемента с отрицательным сопротивлением, в данном случае ТД. Туннельный диод компенсирует как собственные потери энергии колебаний в цепь, так и потери её вследствие передачи в нагрузку, включённую на выходе усилителя отражательного типа. Его включают в схему через циркулятор (многополюсное устройство для направленной передачи электромагнитных колебаний). Коэффициент усиления на один каскад небольшой и составляет обычно всего 10–15 дБ. Полоса частот зависит от коэффициента усиления, емкости и отрица­тельного сопротивления диода в соответствии с общим соотношением для регенеративных усилителей.

Для предотвращения самовозбуждения вне рабочей полосы частот в усилителях на ТД применяется стабилизирующая цепь 2 (рисунок 2.13, б, в). На входе усилителя подключают согласующее устрой­ство 1 в виде последовательного L1C1–контура и настроечной индук­тивности Lн. Стабилизирующая цепь 2 образована сопротивлением потерь R_CT и параллельным L₂C₂–контурoм, резонансная частота кото­рого совпадает со средней частотой усилителя. Вблизи резонанса сопротивление L₂C₂–контура велико и влияние стабилизирующей цепи на работу усилителя незначительно. Вне рабочей полосы частот сопротивление контура мало и стабилизирующая цепь шунтирует диод. Для исключения релаксационных колебаний в цепи питания диода, внутреннее сопротивление источника постоянного смещения должно быть мало.

В схеме, приведенной на рисунке 2.13, в, диод включен в конце МПЛ, а индуктивность L₂ стабилизирующей цепи и L_H согласующей цепи образованы отрезками линии с большим волновым сопротивлением. Имеются также емкость стабилизирующей цепи С₂ и блокировочная емкость Сбл.

Широкополосные усилители на туннельных диодах имеют малый уровень шумов, так как в ТД, работающих при малых токах (1–5 мА), дробовые шумы невелики. У германиевых диодов коэф­фициент шума составляет в сантиметровом диапазоне 4–7 дБ. Боль­шие коэффициенты шума соответствуют частотам выше 10 ГГц. Коэффициенты шума арсенид–галлиевых и кремниевых диодов выше, чем у германиевых диодов.

К недостаткам усилителей на ТД относятся малая мощность насы­щения, а также нестойкость туннельных диодов к перегрузкам вслед­ствие малого диаметра перехода. Следует отметить, что в настоящее время в связи с производством малошумящих транзисторов и совер­шенствованием смесительных диодов число устройств, в которых используют усилители на туннельных диодах, сократилось.

5