Туннельный диод: устройство, принцип работы и ВАХ

Туннельный диод – прибор с необычной вольт-амперной характеристикой: на части прямой ветви ток уменьшается при росте напряжения. Ниже – устройство, туннельный эффект простыми словами, ВАХ с пиком и долиной, применение в генераторах и переключателях и способы измерения. Числовые параметры зависят от модели, их берут из документации конкретного диода.

Что такое туннельный диод

Туннельный диод – особый полупроводниковый прибор с p-n-переходом, в котором проявляется квантово-механическое туннелирование носителей заряда. В отличие от обычного выпрямительного диода, на участке прямой вольт-амперной характеристики ток у него может уменьшаться при увеличении напряжения. Это необычное поведение называют областью отрицательного дифференциального сопротивления. Важно подчеркнуть слово «дифференциального»: сам прибор не превращается в источник энергии и не нарушает закон сохранения энергии. Необычная ВАХ позволяет использовать диод в высокочастотных генераторах и специальных переключающих узлах. Хотя в массовой бытовой электронике туннельные диоды встречаются реже обычных, изучение их работы помогает понять, как свойства полупроводника меняются при сильном легировании и как квантовые эффекты становятся заметны в реальном электронном компоненте.

Устройство и сильное легирование

В обычном p-n-переходе область обеднения заряда имеет такую ширину, что ток определяется главным образом преодолением потенциального барьера и термическими процессами. В туннельном диоде обе стороны перехода легируют гораздо сильнее. Область обеднения становится очень тонкой, и появляется значительная вероятность перехода электронов через потенциальный барьер без классического преодоления его высоты. Этот процесс описывает квантовая механика. Материал и концентрация примесей влияют на форму ВАХ, пиковый ток и допустимый диапазон работы. Поэтому нельзя переносить параметры одного туннельного диода на другой только потому, что они имеют одинаковый условный графический символ. В реальном проектировании необходимы кривые из даташита конкретной модели, включая условия измерения и температурные зависимости.

Туннелирование простыми словами

В классической картине частица с недостаточной энергией не может преодолеть потенциальный барьер. В квантовом описании электрон характеризуется волновой функцией, которая может иметь ненулевую амплитуду по другую сторону тонкого барьера. Поэтому существует вероятность его прохождения. Эта вероятность особенно заметна, когда барьер чрезвычайно тонкий. В полупроводниковом переходе важна не только толщина барьера, но и наличие занятых и свободных энергетических состояний по разные его стороны. При изменении приложенного напряжения взаимное расположение энергетических зон меняется, что объясняет сначала рост, затем уменьшение туннельного тока. Поэтому эффект точнее объясняют энергетической диаграммой и кривой I(U), а не бытовыми аналогиями.

ВАХ туннельного диода: три характерные области

Если медленно увеличивать прямое смещение, ток сначала растёт и достигает пикового значения Ip при напряжении Up. Затем наступает участок, на котором увеличение напряжения приводит к уменьшению тока. Кривая спускается к минимальному току Iv при напряжении Uv – так называемой долине. После этой точки при дальнейшем увеличении напряжения обычная диффузионная составляющая становится существеннее, и ток снова увеличивается. В результате прямая характеристика имеет характерную форму с максимумом и минимумом. Нельзя без проверки писать универсальные значения Up, Uv, Ip и Iv: они зависят от технологии и конкретной детали. На рисунке подписаны оси, пик, долина и область между ними, где наклон кривой отрицателен.

Что значит отрицательное дифференциальное сопротивление

Обычное статическое сопротивление в выбранной точке определяют как отношение U/I, и при положительных напряжении и токе оно остаётся положительным. Дифференциальное сопротивление характеризует локальный наклон кривой:

r_д = dU / dI

На нисходящем участке прямой ВАХ при росте напряжения ток падает, поэтому производная dI/dU отрицательна, а соответствующее rd тоже отрицательно. Такой прибор способен компенсировать потери в резонансном контуре при наличии внешнего питания. Но словосочетание «отрицательное сопротивление» часто неправильно понимают как возможность получить энергию бесплатно. Энергия в генераторе поступает от источника смещения; туннельный диод лишь обеспечивает определённый характер обмена энергией между источником, реактивными элементами и нагрузкой.

Зачем туннельный диод применяют в генераторах

Резонансный LC-контур постепенно теряет энергию на активных сопротивлениях. Если правильно подобрать рабочую точку туннельного диода, участок отрицательного дифференциального сопротивления может компенсировать эти потери, благодаря чему возникают и поддерживаются колебания. Удобство туннельного прибора связано также с малыми размерами перехода и быстрыми носителями заряда, что делает возможной работу на высоких частотах. Однако реальная частота определяется не только диодом, но и паразитными ёмкостями, индуктивностями монтажа, контуром и нагрузкой. Простое включение диода в случайную цепь с катушкой ещё не гарантирует устойчивого генератора. Поэтому важно понимать роль источника смещения, резонатора и устойчивости рабочей точки на ВАХ.

Применение в переключающих схемах

При определённом сопротивлении нагрузки прямая ВАХ туннельного диода может приводить к существованию нескольких рабочих состояний. Это используют в специальных переключающих и пороговых устройствах. При изменении управляющего условия схема может быстро переходить из одной устойчивой точки в другую. Такие решения исторически применялись до широкого распространения современной интегральной логики и высокоскоростных транзисторов. Сегодня принцип по-прежнему интересен для изучения нелинейных цепей и приборов с нестандартной характеристикой. При этом типичный радиолюбитель не должен ожидать от любого найденного старого диода тех же параметров: даже маркировка и внешний вид не позволяют определить пригодность к конкретной высокочастотной схеме без измерений и заводских данных.

Чем отличается от диода Шоттки и стабилитрона

Диод Шоттки используют там, где важны малое прямое падение напряжения и небольшое время обратного восстановления. Стабилитрон предназначен для эксплуатации в заданной области обратного пробоя и стабилизации напряжения в ограниченном режиме. Туннельный диод отличается прежде всего прямой областью отрицательного дифференциального сопротивления. По названию все три прибора могут называться диодами, но функции и ВАХ у них разные. Нельзя заменять один другим только потому, что они имеют два вывода. На рисунке три характерные кривые на отдельных осях: у каждого прибора практический интерес представляет своя часть характеристики. Особенно важно не путать туннельный эффект с обычным лавинным или зенеровским пробоем.

Можно ли проверить туннельный диод обычным мультиметром

Режим проверки диодов у мультиметра рассчитан прежде всего на распространённые p-n-переходы и светодиоды. Его тестовый ток и напряжение могут не позволить увидеть характерный нисходящий участок ВАХ туннельного диода. Поэтому показание прибора нельзя использовать как полноценную идентификацию или измерение параметров Ip, Iv и напряжений пика и долины. Для построения характеристики нужна схема измерения с ограничением тока, подходящим источником смещения и измерением тока и напряжения, соответствующая допустимым режимам конкретной детали. Из-за малых характерных напряжений и рисков случайного превышения токов эксперимент следует выполнять на предназначенном для этого лабораторном стенде. Испытания «наугад» от батарейки без ограничения тока могут повредить прибор.

Почему рабочая точка должна быть устойчивой

Когда ВАХ содержит участок отрицательного наклона, поведение цепи зависит от сопротивления внешней нагрузки и способа питания. Если нагрузочная прямая пересекает характеристику в нескольких местах, физическая схема может иметь несколько возможных рабочих состояний. Но не каждое математическое пересечение будет устойчивым: небольшое возмущение может заставить напряжение и ток уйти в другую точку. Поэтому генератор или переключатель на туннельном диоде проектируют с учётом реактивных элементов и сопротивления источника. Наглядно это видно, если нанести на ВАХ нагрузочную прямую: от её наклона зависят число точек пересечения и их устойчивость. Это даёт более правильное представление, чем утверждение, будто любой участок отрицательного сопротивления автоматически генерирует синусоидальный сигнал без внешней цепи.

Пиковый и долинный токи

Две характерные точки туннельной характеристики – пик и долина. Пиковый ток Ip соответствует максимуму туннельной составляющей, а долинный Iv – минимуму после нисходящего участка. Отношение Ip/Iv иногда используют для сравнения пригодности приборов к переключению и генерации. Чем заметнее контраст между этими точками, тем легче различить нелинейную область при измерении, однако одно отношение не заменяет полного набора параметров. Также важны паразитная ёмкость перехода, допустимое рассеяние и рабочая температура. Поэтому на графике выше нет чисел: напряжения и токи пика и долины определяются конкретной моделью диода. Указание случайных «типовых» чисел без источника было бы вводящим в заблуждение.

Историческое значение эффекта Эсаки

Физический эффект, на котором основана работа туннельного диода, был продемонстрирован Лео Эсаки в 1957 году. В 1973 году он получил Нобелевскую премию по физике за экспериментальные открытия, связанные с туннелированием в полупроводниках. Это важный пример перехода от фундаментальной квантовой теории к практически полезным электронным приборам. Развитие туннельных диодов показало, что усиление или генерация возможны даже в устройстве с двумя выводами, если его нелинейная характеристика имеет нужную форму. Хотя многие конкретные схемы прошлого сегодня вытеснены транзисторами и интегральными микросхемами, принцип отрицательного дифференциального сопротивления продолжает встречаться в специальных электронных технологиях. Радиолюбителю полезно знать историю, чтобы не путать древность детали с устареванием физического явления.

Практический эксперимент с ВАХ

Безопасный учебный эксперимент строят вокруг источника с тонкой регулировкой малого напряжения и строгим ограничением тока, подходящим именно для исследуемого диода. Измеряют напряжение непосредственно на приборе и ток в цепи, постепенно изменяя режим и фиксируя пары значений. После этого строят график I(U) и ищут пик, нисходящий участок и долину. Не следует просто повышать напряжение до неизвестного предела в надежде увидеть эффект: низковольтный туннельный прибор может разрушиться раньше, чем экспериментатор поймёт показания. Если нет подходящего образца и приборов, разумно использовать опубликованные данные даташита для построения учебной кривой. Такое графическое упражнение тоже позволяет рассчитать локальные наклоны и объяснить отличие статического отношения U/I от производной dU/dI.

Какие выводы можно сделать из формы ВАХ

График туннельного диода полезен не только как описание редкого прибора. Он демонстрирует, почему для нелинейных устройств нельзя считать сопротивление постоянным. На разных участках характеристики одинаковое изменение напряжения вызывает разное изменение тока, а на одном участке знак изменения оказывается противоположным обычному. При анализе схемы нужно рассматривать не одну выбранную точку, а всё окружение рабочей точки и реакцию на малое возмущение. Именно такой подход используют при изучении устойчивости электронных генераторов и переключателей. Для учебного задания можно нанести несколько точек на условную ВАХ, определить знаки наклонов и затем объяснить, где обычное сопротивление положительно, а дифференциальное – отрицательно.

Частые вопросы