Как устроен туннельный диод
Туннельный диод обладает особыми характеристиками, отличающими его от обычных диодов и стабилитронов. Если диоды и стабилитроны хорошо пропускают ток только в одну сторону (в обратную – только в области пробоя), то туннельный диод способен хорошо проводить ток в обе стороны. Это свойство обеспечивают особенности устройства туннельного диода: очень узкий p-n переход и значительное количество присадок.
Содержание статьи
История создания туннельного диода
Эта деталь была предложена в 1956 году японским ученым Л. Есаки. Для ее изготовления использовался германий или арсенид галлия с большим количеством присадок, обладающих низким удельным сопротивлением.
Арсенид галлия оказался более перспективным материалом. При производстве туннельных диодов используются: доноры – олово, сера, теллур, свинец, селен, а также акцепторы – кадмий и цинк. Применяются германиевые полупроводники, в которых: доноры – мышьяк и фосфор, а акцепторы – алюминий и галлий. Примеси вводят в состав диода путем вплавления или диффузии.
Особенности и принцип действия туннельного диода
Туннельные диоды с чрезвычайно малым сопротивлением относят к группе вырожденных. Для них характерны:
- электронно-дырочный переход – в десятки раз тоньше, по сравнению с обычными диодными устройствами;
- потенциальный барьер – в 2 раза выше относительно стандартных полупроводниковых деталей;
- наличие напряженности поля даже при отключении питающего напряжения – 106 В/см.
Уникальные свойства туннельного диода проявляются в его вольтамперной характеристике (ВАХ) при прямом смещении в полупроводнике.
На схеме видно, что на отрезке А ток растет с увеличением напряжения. На участке В полупроводник проявляет отрицательное сопротивление (туннельный эффект), приводящее к тому, что при росте вольтовой характеристики ток снижается. На отрезке С прибор снова обеспечивает прямую зависимость между током и напряжением.
Туннельные диоды предназначены для работы как раз на отрезке, для которого характерно отрицательное сопротивление. Небольшое повышение напряжения выключает его, а снижение – включает.
Основные параметры туннельных диодов
При выборе этого полупроводника учитывают:
- ток пика – максимальный ток прямого направления;
- пиковое напряжение, характерное для тока пика;
- минимальный ток (ток впадины) и характерное для него напряжение;
- напряжение скачка – максимальный перепад напряжений;
- емкость – емкость между выводами полупроводника при определенной вольтовой характеристике смещения.
Маркировка туннельных диодов и их обозначение на схеме
В обозначении диодов присутствует несколько позиций (обычно 5). Первой идет буква или цифра. Цифры 1, 2, 3 обозначают, что диод предназначен для военного применения (имеет более широкий температурный рабочий интервал, по сравнению со стандартными полупроводниками). На первой позиции может стоять буква, указывающая на материал, используемый при изготовлении детали: Г – германий, А – арсенид галлия. Вторая позиция показывает класс полупроводника, Д – обозначает «диод». На третьей позиции отображают характеристики мощности или частоты. Четвертая – двух- или трехзначный серийный номер. В конце обозначения производитель предоставляет дополнительную информацию.
Цветовая маркировка диодов 
Обозначение туннельного диода на схемах
Области применения
Параметры туннельного диода обеспечивают его использование в следующих областях:
- в качестве высокоскоростного выключателя;
- в роли усилителя, в котором повышение напряжения вызывает более значительный рост тока, по сравнению со стандартными диодными устройствами;
- для получения и усиления электромагнитных колебаний;
- в радиоэлектронных переключающих и импульсных устройствах различного назначения, для которых актуально высокое быстродействие.
Преимущества и недостатки
Плюсы туннельных диодов:
- особая вольтамперная характеристика в определенном интервале напряжений;
- уникальное быстродействие, малая инерционность;
- устойчивость к ионизирующему излучению;
- сниженное потребление электроэнергии от источника электропитания.
Все туннельные диоды имеют компактные размеры. Часто они представляют собой изделия в герметичных корпусах цилиндрической формы диаметром 3-4 мм, высотой 2 мм и массой менее 1 грамма.
Существенным недостатком полупроводников этого типа является значительное старение, которое приводит к изменению их свойств, а следовательно, к нарушению нормальной функциональности устройства. «Туннельники» могут утратить прежние параметры не только из-за превышенных рабочих режимов, но даже из-за длительного хранения, после чего они превращаются в «обращенные» полупроводники. Такое обстоятельство часто становится причиной некорректного функционирования промышленных осциллографов.
Существуют и «обращенные» полупроводники промышленного изготовления. От туннельных они отличаются меньшей концентрацией примесей, хотя общий принцип функционирования у них одинаковый.
Как проверить туннельный диод на работоспособность
Проверять работоспособность ТД авометром – комбинированным прибором для измерения тока, напряжения и частоты – запрещено, поскольку полупроводники некоторых групп могут выйти из строя. Если неизвестна принадлежность детали к определенной категории, то безопасней использовать генераторный пробник, позволяющий контролировать работоспособность туннельного диода в активном режиме.
Туннельный диод: оценка, отбор и практическое применение
Туннельным диодом называют полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект (при приложении к ТД напряжения в прямом направлении) приводит к появлению на вольтамперных характеристиках (ВАХ) участка с отрицательной дифференциальной проводимостью (ОДП) — рис.1. Туннельный эффект заключается в том, что электрон при определенных условиях может, не затрачивая энергии, пройти сквозь потенциальный барьер, как по туннелю.
Напряжение U(Uв Uп)/2 для ТД на основе германия лежит в пределах 60. 100 мВ, для ТД из арсенида галлия 280. 360 мВ.
Ток через ТД при приложении небольших напряжений растет достаточно резко (рис.1). Это связано с тем, что при туннельном переходе электрон не расходует своей энергии, поэтому может совершать его при температуре, близкой к абсолютному нулю. Именно этим обстоятельством объясняется способность ТД работать в более широком диапазоне температур, чем обычные диоды. В интервале напряжений от Uп до Uв ВАХ ТД имеет спадающий участок, что указывает на наличие ОДП. Этот участок ВАХ является наиболее ценным при практическом использовании ТД. ОДП позволяет скомпенсировать потери, вносимые положительным сопротивлением, и в зависимости от поставленной задачи осуществить схему усилителя, генератора или преобразователя колебаний. В точке перегиба ВАХ, соответствующей напряжению Uв, ОДП минимальна. Величина ОДП колеблется от сотых долей ома до сотен ом.
Мощность, потребляемая ТД в том или ином режиме от источника питания, примерно в десять раз меньше, чем при использовании для той же цели транзистора. Однако полностью реализовать это преимущество не удается, поскольку в реальных конструкциях для питания ТД чаще всего используют стандартные гальванические элементы напряжением 1,5 В, а остаток гасят резисторами.
Рис. 1. Вольтамперная характеристика (ВАХ) участка с отрицательной дифференциальной проводимостью.
Генераторы на туннельных диодах попоследовательной (рис.2), параллельной (рис.3) и последовательно-параллельной (рис.4) схемам.
Рис. 5. Конструкция корпуса и полярность ТД типа АИ101, АИ201, АИ301.
Рис. 6. Схема самого простого ГП со звуковой индикацией.
В схеме, показанной на рис.7, вместо электромагнитного телефона использован звонок пьезокерамический (ЗП) от звуковой открытки.
В схему, показанную на рис.8, введен двухполупериодный выпрямитель с удвоением выходного напряжения (удвоитель) VD1, VD2, C2, C3.
Рис.9. Усилитель на VT1.
Рис.10. Генераторный пробник (ГП) в авторском варианте.
Рис. 11. Включение генератора на ТД между анодами двух стабилитронов.
Рис. 12. Схема двухполюсника, выполненного на германиевых транзисторах с напряжением стабилизации 0,35 В. При использовании кремниевых транзисторов напряжение стабилизации увеличивается до 1. 1,2 В.
Рис. 13. Схема низковольтного стабилизатора с регулируемым выходным напряжением.
Рис. 14. Схема термокомпенсированного источника тока на биполярном транзисторе.
Исследуем туннельный диод
Раньше я считал: ну диод, и диод, в одну сторону звонится, в другую нет, подумаешь там извилина там какая-то на характеристике в туннельного диода, но звонится то он должен как диод. И вот, попались мне в руки, первый раз в жизни, три туннельных диода, выпаял из…, вот здесь рассказано:
http://www.pro-radio.ru/start/3494/
И каким было мое удивление: эти диоды звонились цифровым тестером в обоих направлениях 7…8 Ом (ток измерения прибора не более 1 мА).
Попробовал пропустить ток через диод: взял напряжение с потенциометра, и увеличивал, начиная с единиц милливольт, смотрел падение напряжения на нагрузочном резисторе. Даже несколько милливольт открывали диод, ток проходил и в прямом и в обратном направлениях, как через резистор, при увеличении напряжения на входе линейно увеличивалось напряжение на нагрузочном резисторе, проверил до 2..3 мА, никаких извилин на характеристике.
Решил автоматизировать процесс измерения. Линейно возрастающее пилообразное напряжение подал на эмиттерный повторитель, а с выхода повторителя, через 910 Ом на анод диода. Катод диода, через резистор 100 Ом, соединил с общим проводом. Осциллограф подключил параллельно резистору 100 Ом. Вот что показал осциллограф. Верхняя осциллограмма — ток через туннельный диод.
Нижняя осциллограмма — напряжения на туннельном диоде (осциллограф параллельно диоду).
Линейно убывающего пилообразного напряжения у меня нет, так что пробовал плавно уменьшать напряжение потенциометром, подключенным к входу повторителя. Скачек тока через диод появляется при токе меньше 1 мА.
—
Из этого всего я сделал вывод, что туннельный диод – это такой двухполюсник, который при токе от нуля и до какого то порогового тока, работает как линейный резистор. А при превышении порогового тока, резко, скачком, увеличивает сопротивление. Если же после преодоления порогового тока, уменьшать ток, то скачкообразное уменьшение сопротивления наступит уже при другом, меньшем токе. В справочнике эти токи называются, как пиковый ток и ток впадины.
Как проверить туннельный диод тестером. Омметром с максимальным током измерения 1 мА, никак, звонится на всех пределах как резистор в несколько Ом (при падении напряжения на диоде 0,006 В), потому что измерительного тока 1 мА недостаточно, для превышения пикового тока. А вот тестер, с током измерения 40 мА, показал сопротивление в прямом направлении около 50 Ом, при падении напряжения на диоде 1,2 В. В обратном же, даже при токе 40 мА, туннельный диод звонится как резистор несколько Ом.
Хе-хе-хе. Тунельный диод — штука весьма интересная. Первый раз мне он попался в руки году этак в 1985. Я с его помощью делал триггерную защиту блока питания — при превышении допустимого тога диод перескакивал во вторую ветвь, и резко ограничивая ток, уже оставался в таком состоянии до тех пор, пока не выключишь БП.
Подборку по свойствам ТД я брал в журналах РАДИО за начало 60х годов. Там был целый цикл статей с разными применениями.
Если присмотреться, то можно увидеть на осциллограмме тока и вторую зазубрину, на участке убывания тока.
Собственно, именно это и должно было быть. Традиционное применение туннельных в разных осциллографах — формирование импульсов синхронизации.
АК: Как проверить туннельный диод тестером.
Тестером — никак. Только замена в схеме на заведомо исправный .
А вот и нет, одним тестером никак не проверить, а двумя, с разными токами измерения сопротивления, можно, или же, если в омметре, при переключении пределов, меняется ток измерения, но важно, чтоб на одном из пределов ток измерения превышал пиковый, а на другом пределе был ниже пикового. На токе ниже пикового, сопротивление несколько Ом, а на токе выше пикового — сопротивление несколько десятков Ом.
В обычных диодов, наоборот, при меньшем токе измерения, сопротивление больше.
Можно проверить, можно даже снять ВАХ в натуре. Но только для этого надо задать напряжение на нём от чистого источника напряжения, т.е. с очень малым выходным сопротивлением, меньшим, чем отрицательное сопротивление падающей ветви туннельника. Тогда можно пройтись по всей ВАХ, и спадающую ветвь увидеть и т.п. И ещё одно должно быть условие — они очень склонны к генерации, поэтому у источника напряжения, кроме минимального Rвых, должны быть минимальные реактивности выходной цепи, иначе туннельник начнёт свистеть, и зачастую на очень высокой частоте (выше воспринимаемой осциллоскопом). Практически я это делаю так: беру 1-омный резистор, к нему проводами минимальной длины подключаю диод через нагрузочный резистор 5. 10 ом (оба резистора — безындуктивные), к этому резистору — вольтметр или осциллоскоп через резистор в 500. 1000 ом, чтобы ток мерять. Меняю ток через 1 ом, задаю тем самым U на диоде, смотрю ток, строю график на клеточках.
Также надо иметь ввиду, что эти хитрые туннельники часто «плохеют» не только от превышенных режимов, но даже от простого хранения — у них уменьшается высота горба вплоть до полного пропадания, и тогда они превращаются в т.н. «обращённые» (многие неисправности развёрток промышленных осциллографрв — от этого). Кстати, обращённые диоды промышленного изготовления выглядят точно как туннельные, их легко спутать (возможно, их вообще разбраковывают из общей кучи после изготовления). Обращённые используют с туннельными вместо обычных, поскольку у них прямое падение (на «обратной» ветви!) несколько милливольт, что куда лучше даже германиевых, да и по скорости обращённые гораздо выше. Вот за перепутанные ветви ВАХ их и называют обращёнными.
Спец
Спасибо за ликбез. Поиду снимать ВАХ. Как раз в коробке завалялись ГИ401.
