Туннельный диод — это особый вид диода, который не ведёт себя как обычный. Поскольку он сильно легирован, его переход становится чрезвычайно тонким, поэтому электроны могут туннелировать его даже при низком напряжении. Это создаёт странную область, называемую отрицательным дифференциальным сопротивлением, где ток может снижаться даже при повышении напряжения.
Основы туннельного диода
Тоннельный диод имеет два терминала, как стандартный диод. Два конца должны быть чётко идентифицированы, поскольку устройство может вести себя иначе, чем стандартный диод в определённых диапазонах напряжений.
Названия терминалов
• Анода → p-типа
• Катод → сторона n-типа
Терминальные факты
• При прямом смещении традиционный ток течёт от анода → катода.
• Полярность по-прежнему имеет значение, и туннельные диоды могут проводить в обратном смещении из-за туннелирования.
• На многих физических упаковках катод помечен лентой или точкой.
Структура и квантовое туннелирование в туннельном диоде
В стандартном p–n переходе область обеднения достаточно широка, чтобы носители в основном проходили через барьер с помощью теплового впрыска. Туннельный диод строится иначе: и p-сторона, и n-сторона сильно легированы, что сжимает область обеднения всего до нескольких нанометров. С таким тонким барьером электроны могут проходить через него путём квантового туннелирования, поэтому при очень низком прямом напряжении может появляться заметный ток.
Какие существенные изменения в допинге (причина → следствие)
• Сильное легирование повышает концентрацию носителей и сужает область истощения.
• Более тонкая область обеднения означает более тонкий энергетический барьер в соединении.
• Когда барьер достаточно тонкий, носители могут прокладывать туннель через него, а не переходить через него.
• Это обеспечивает низковольтную проводимость и сильно зависит от геометрии и параметров материала.
Что означает туннелирование в этом диоде
В обычном диоде носителю нужно достаточно энергии, чтобы преодолеть барьер. В туннельном диоде, даже если энергия носителя ниже пика барьера, она всё равно может пройти через барьер благодаря квантовой механике, при условии, что с одной стороны есть занятые состояния, выровненные с пустыми состояниями с другой.
Практические последствия проектирования
• Ёмкость соединения обычно выше, потому что область обеднения чрезвычайно тонкая.
• Обратная блокировка ограничена, и напряжение обратного пробоя часто ниже, чем в стандартных диодах.
• Производительность более чувствительна к изменениям процесса и температуре, а поведение на высоких частотах сильно зависит от ёмкости соединения и индуктивности корпуса/вывода.
Быстрое сравнение
| Аспект | Стандартный диод | Туннельный диод |
|---|---|---|
| Уровень допинга (типичный порядок) | ~10¹⁶–10¹⁸ см⁻³ | ~10¹⁹–10²⁰ см⁻³ |
| Толщина истощения | Шире | Очень узкая |
| Основной путь перевозчиков | В основном через барьер | В основном через барьер (туннелирование) |
| Обратная блокировка | Часто сильный | Часто ограничено |
Вид туннельного диода из энергетического диапазона
Нулевое или очень малое смещение
При нулевом смещении туннелирование может происходить в обоих направлениях, потому что барьер тонкий. Чистый ток остаётся близко к нулю, потому что туннелирование от p→n балансируется туннелированием от n→p.
Малый форвардный уклон: рост к пику (IP на vp)
При небольшом смещении вперёд энергетические полосы смещаются так, что заполненные состояния с одной стороны совпадают с пустыми с другой. Количество доступных проходов для туннелей увеличивается, поэтому ток быстро растёт.
• Ток достигает пикового тока Ip при пиковом напряжении Vp, когда выравнивание наиболее сильное.
Более высокий форвард-смещённость: падение в сторону долины (IV на Vv)
По мере увеличения прямого напряжения выше Vp выравнивание полос ухудшается. Меньше штатов выстраивается, поэтому пути прокладки тоннелей сужаются. Туннельный ток уменьшается, несмотря на повышение напряжения.
• Это регион NDR, где dI/dV < 0.
• Ток падает на ток долины IV при напряжении долины Vv.
Ещё большее прямое смещение: нормальная проводимость диода доминирует
При достаточно высоком прямом смещении туннелирование становится слабым, потому что состояния больше не совпадают хорошо для туннелирования. Традиционная прямая проводимость (диффузия/впрыск) становится доминирующей, и ток снова увеличивается с напряжением.
Кривая туннельного диода I–V и ключевые параметры
Туннельный диод имеет характерную кривую вперёд I–V: ток поднимается до пика, затем падает в долину, а затем снова поднимается. «Падение при повышении напряжения» — это область отрицательного дифференциального сопротивления (NDR).
Как читать кривую (высокий уровень)
• 0 → Vp: тоннельные пути увеличиваются, ток быстро растёт.
• Vp → Vv: уменьшаются тоннельные пути, уменьшается ток (NDR).
• V > Vv: нормальная проводимость диода доминирует, ток снова увеличивается.
Ключевые точки на кривой
• Vp (пиковое напряжение): напряжение в точке максимального тоннельного тока
• Ip (пиковый ток): максимальный прямой туннелный ток
• Vv (Valley Voltage): напряжение в минимальной точке после падения
• IV (долинный ток): минимальный ток до нормальной проводимости значительно повышается
• Ip/IV (Соотношение пика к долине): показывает, насколько выражено поведение NDR
Передние операционные области и заметки по смещению
Регион A: низковольтное туннелирование (около 0 до Vp)
• Используйте то, что при низковольтной проводимости доминирует туннелирование.
• Сохраняйте раскладочные паразиты небольшими, если сигнал быстрый или радиочастотный.
Регион B: окно NDR (Vp to Vv)
• Это область, используемая для генераторов и радиочастотных цепей с отрицательным сопротивлением.
• Смещение в стабильной рабочей точке внутри окна NDR, а не прямо по краям.
• Используйте сеть смещения, которая предотвращает неконтролируемые или нежелательные прыжки между точками работы.
• Минимизировать дополнительное сопротивление последовательности там, где требуется сильное поведение NDR, так как сопротивление последовательности снижает эффективное отрицательное сопротивление.
Регион C: Нормальная прямая проводимость (выше Vv)
• Обращайтесь с ним как к обычной диодной области (ток увеличивается с напряжением).
• Эффекты NDR больше не доминируют, поэтому это не область для работы с отрицательным сопротивлением.
Быстрая проверка предвзятости (быстрый список здравомыслия)
• Проверить предполагаемую точку смещения относительно данных устройства I–V (Ip, Vp, Iv, Vv).
• Проверьте смещение температуры: сдвиг Vp/Ip/IV может переместить рабочую точку.
• Проверьте паразиты: Co и индуктивность корпуса могут изменять форму видимого I–V на высокой частоте.
• Подтвердить стабильность с окружающей сетью (особенно при работе NDR).
Обратный смещение и режим обратного диода
Туннельный диод может проводить заметный ток даже при обратном смещении, поскольку его область обеднения хрупка. При приложении небольшого обратного напряжения уровни энергии могут совпадать, позволяя несущим туннелировать в обратном направлении. Эта обратная проводимость при низком напряжении часто называется режимом обратного диода.
Как выглядит обратное туннелирование
• Небольшое обратное напряжение смещает энергетическое выравнивание, поэтому туннелирование происходит в обратном направлении.
• Обратное туннелирование может поддерживать: низкоуровневое радиочастотное обнаружение. Микширование или преобразование частоты (в некоторых схемах)
Почему он не используется как выпрямитель мощности
• Обратная проводимость может начинаться при низком обратном напряжении, поэтому обратная блокировка ограничена.
• Обработка обратного напряжения обычно значительно ниже, чем у многих силовых диодов.
Материалы тоннельных диодов и IP/IV
| Материал | Заборонный зазор (примерно) | Тенденция к туннелю |
|---|---|---|
| Ge (германий) | ~0,66 эВ | Сильный при низком напряжении |
| GaAs (арсенид галлия) | ~1.42 эВ | Сильный с хорошим контролем |
| Si (кремний) | ~1.12 эВ | Обычно слабее |
Эквивалентная схема туннельного диода
| Элемент | Символ | Представляет | Основной эффект |
|---|---|---|---|
| Отрицательное сопротивление | −Ро | Уклон NDR возле точки смещения | Позволяет использовать усиление или колебания при нужных условиях |
| Ёмкость переходов | Ко | Ёмкость соединения (истощение) | Ограничивает высокочастотную характеристику и влияет на резонанс |
| Сопротивление последовательности | Rs | Внутренние потери | Снижает резкость и снижает эффективную производительность |
| Индуктивность последовательности | Ls | Индуктивность свинца/корпуса | Сдвиги резонанса могут влиять на стабильность |
Применение туннельных диодов
Микроволновые генераторы и генерация радиочастотных сигналов
При смещении в области NDR и резонансной сети туннельный диод может генерировать радиочастотные и микроволновые колебания.
Отражающие усилители и RF-фронтальные схемы
Его отрицательное сопротивление может быть комбинировано с импедансной сетью для получения РЧ усиления в маломощных фронтальных схемах.
Осцилляторы релаксации и импульсные цепи
Область NDR поддерживает быстрое переключение между точками работы, что позволяет создавать импульсные и временные сигналы.
Радар и устаревшее оборудование
Туннельные диоды всё ещё встречаются в некоторых старых устройствах, где поведение устройства уже доказано и хорошо задокументировано.
Обнаружение и преобразование частот
В режиме обратного диода туннельный диод может обнаруживать низкоуровневые радиочастотные сигналы при низком напряжении и также поддерживать преобразование частоты.
Заключение
Туннельные диоды работают потому, что сильное легирование делает переход настолько тонким, что квантовое туннелирование становится основным направлением для тока. Это приводит к хорошо известной кривой I–V с пиком и долиной и областью отрицательного дифференциального сопротивления. Эти особенности делают туннельные диоды полезными для радиочастотных и микроволновых генераторов, обнаружения малых сигналов и быстрых импульсных цепей. У них также есть ограничения, такие как низкое напряжение, энергопотребление и слабое обратное блокирование.
Часто задаваемые вопросы [FAQ]
Что определяет соотношение Ip/IV (пик к долине)?
Уровень легирования, качество соединения (дефекты), заборонный зазор материала и температура.
Как температура меняет поведение туннельного диода?
Он смещает Vp, Ip и Iv, а также ослабляет область NDR (часто понижая Ip/Iv), что может смещать рабочую точку и снижать стабильность.
Что ограничивает максимальную практическую частоту туннельного диода?
Ёмкость перехода (Co), последовательное сопротивление (Rs) и индуктивность корпуса/вывода (L).
Может ли туннельный диод быть поврежден из-за неправильного смещения?
Да. Избыточный прямой ток или обратное напряжение могут перегреться или навсегда повредить переход и изменить характеристики I–V.
Почему туннельные диоды редко встречаются в современных конструкциях?
Высокочастотные транзисторы и радиочастотные интегральные схемы обеспечивают лучшее управление, большее усиление, улучшенную масштабируемость и лучшую обработку мощности.
Чем туннельный диод отличается от диода назад?
Обратный диод оптимизирован для сильного обратного смещения туннелирования (часто для обнаружения нулевого смещения), а туннельный диод используется для работы с прямым NDR.
