Туннельный диод.

Такие диоды изготавливаются из полупроводников с высокой концентрацией примесей – это вырожденные полупроводники. Их особенность в том, что в запрещенной зоне образуются не примесные уровни, а примесные зоны вблизи зоны проводимости в «n» полупроводнике и вблизи валентной зоны в «p» полупроводнике. На рис. 25 показана энергетическая диаграмма вырожденного p-n перехода при отсутствии на нем напряжений.

Рис. 25 Энергетическая диаграмма вырожденного p-n перехода

Допустим, что электроны находятся на уровнях энергий ниже уровня Ферми, выше их нет и эти разрешенные уровни свободны от электронов. При подаче обратного напряжения происходит деформация уровня Ферми в сторону увеличения энергетического барьера (на рис .25 показан красным цветом). Смещаются и разрешенные зоны n полупроводника. Здесь наступает самое главное; валентная зона p полупроводника заполненная электронами становится напротив зоны проводимости n полупроводника свободной от электронов. Так как высокая концентрация примеси приводит к малой толщине перехода (см. предыдущую тему), на переходе возникает большая напряженность электрического поля. При этих условиях возникают предпосылки для туннельного движения носителя: электрон из p области переходит (туннелирует) в n область. Возникает большой обратный ток.

При подаче прямого напряжения деформация уровня Ферми идет в другую сторону (показан синим цветом). При этом наблюдается следующее: зона заполненная электронами в n области становится напротив зоны свободной от электронов в p области. Становится возможным туннельный переход электронов из n области в p. Заметим , что это сопровождается появлением большого прямого тока до открытия перехода, связанного с уменьшением энергетического барьера. На рис. 26 показана ВАХ туннельного диода и здесь же обычного.

Рис. 26 Вольт - амперная характеристика туннельного диода

Наличие падающего участка между точками А и В – замечательная особенность туннельного диода. Эта область отрицательного динамического сопротивления, позволяющая реализовать на его основе высокочастотные и быстродействующие генераторы, усилители, импульсные устройства.

Параметры туннельного диода следующие.

- Прямое допустимое напряжение, U_{пр. доп}.

- Координаты точки пика и впадины, точки А, U_пика, I_пика.

- Координаты точки впадины, точки В, U_{впадина}, I_{впадина}.

- Отрицательное динамическое сопротивление на падающем участке, R_дин.= Δ Uпр/ΔIпр.

На туннельном диоде можно выполнить устройство, активно преобразующее сигнал (генератор и усилитель). Допустим, имеется колебательный контур состоящий из индуктивности и емкости. Вспомним, что будет происходить, если зарядить конденсатор. Электрическая энергия будет переходить в магнитную, которая накапливается в индуктивности. Далее магнитная энергия будет переходить в электрическую, которая в свою очередь накапливается в конденсаторе. Возникнет колебательный процесс, которых носит затухающий характер из – за сопротивлений в контуре. Это сопротивление катушки, проводов. Это сопротивление приводит к потерям энергии, поэтому уместно назвать его сопротивлением тепловых потерь. Если его компенсировать отрицательным сопротивлением, то потерь не будет и в контуре возникнут незатухающие колебания. Таким образом, мы можем получить генератор в котором роль отрицательного сопротивления выполняет туннельный диод. Схема такого генератора показана на рис. 27. здесь же показано условное обозначение диода. Источник питания совместно с сопротивлением Rпит обеспечивает задание рабочей точки в области отрицательного сопротивления диода. Генерация возникает при условии R_{дин (-)} >R_пот.

Рис. 27 Генератор на туннельном диоде

Туннельный эффект движение носителей малоинерционный процесс. Это и определило область применения туннельных диодов. Это усилители и генератору СВЧ диапазона, например, спутниковые системы связи, быстродействующие импульсные схемы, например, триггеры т и. д.

Варистор.

Это нелинейное полупроводниковое сопротивление, свойства которого обеспечиваются p-n переходами. Изготавливается такие приборы из порошка карбида кремния. Порошок спекается, каждое зерно кремния это p-n переход. Таким образом в образовавшемся образце сформировано множества хаотически расположенных p-n переходов. Далее проявляются свойства каждого.

Рис.28 Варистор

При подаче напряжения любой полярности будет постепенно увеличиваться ток по следующим причинам.

- Сначала будут открываться те переходы, которые ориентированны в прямом направлении вдоль вектора напряженности электрического поля Евнеш. Далее откроются те, которые расположены под углом к вектору поля. По мере роста напряжения увеличивается число открытых переходов и стало быть ток.

- Увеличение тока приводит к нагреву структуры, что увеличивает ее проводимость.

- Переходы ориентированные в обратном направлении вступают в стадию электрического пробоя и их число постепенно увеличивается.

Все это факторы формируют вольт-амперную характеристику варистора, которая показана на рис. 29.

Рис. 29 Вольт – амперная характеристика варистора

Параметры варистора следующие.

1. Допустимая рассеиваемая мощность.

2. Пороговое напряжение.

3. Часто ВАХ аппроксимируют зависимостью I=AUexp(kU); здесь параметром выступает k- коэффициент нелинейности.

Область применения варисторов – защита линий связи и аппаратуры от перенапряжений. Электромагнитные поля от железной дороги (контактная сеть, ЛЭП ) создают в линиях связи напряжения способные вывести аппаратуру из строя. Варистор снижает это напряжение до допустимой величины. Включают его по схеме приведенной на рис. 30

Рис. 30 Применение варистора