3 Тунельний діод (5 стор

2.2.2. тунельний діод

У НВЧ техніці знаходить застосування тунельний діод (ТД) -полупроводніковий прилад, що працює на частотах до 10 ГГц. Він використовується в генераторах, підсилювачах, частотних перетворювачів і перемикачах. Його робочі потужності невеликі, але це перший напівпровідниковий прилад, здатний ефективно працювати на таких високих частотах. Тунельний діод був виготовлений в 1958 році Лео Ісаков, який в 1973 році отримав Нобелівську премію з фізики за експериментальне виявлення ефекту тунелювання електронів в цих діодах.

Тунельний діод - це напівпровідниковий діод на основі p + - n + переходу з сильнолегованих областями, на прямій ділянці вольт - амперної характеристики якого наблюдаетсяN-образна залежність струму від напруги. На малюнку 2.10 зображена конструкція тунельного діода (б), наведена вольт-амперна характеристика типового тунельного діода при прямому зміщенні (а).

Мал. 2.10. Тунельний діод: а) вольт - амперна характеристика при прямому зміщенні; б) конструкція тунельного діода; в) умовне позначення

Проаналізуємо особливості вольт - амперної характеристики тунельного діода. Для цього розглянемо p + - n + перехід, утворений двома виродженими напівпровідниками.

Якщо концентрація донорів та акцепторів в емітер і базі діода буде близька до 10 20 см -3. то концентрація основних носіїв буде багато більше ефективної щільності станів в дозволених зонах. У цьому випадку рівень Фермі буде знаходитися в дозволених зонах p + - і n + -полупроводніков.

У напівпровіднику n + - типу все стану в зоні провідності аж до рівня Фермі зайняті електронами, а в напівпровіднику p + - типу - дірками. Зонна діаграма p + - n + переходу, утвореного двома виродженими напівпровідниками, наведена на малюнку 2.11.

Рис.2.11. Зонна діаграма p + - n + переходу в рівновазі

Тунельний ефект у вузьких переходах при високих напряженностях електричного поля може істотно вплинути на хід вольт - ампер-ної характеристики p-n переходу.

Розглянемо більш докладно тунельні переходи в вироджених p + - n + переходах при різній напрузі. На малюнку 2.12 показана зонна діаграма тунельного діода при зворотному зміщенні.

При зворотній напрузі, струм в діоді обумовлений тунельним переходом електронів з валентної зони на вільні місця в зоні провідності. Тунельний струм різко зростає з ростом зворотної напруги, оскільки концентрація електронів і дірок великі. Така поведінка вольт - амперних характеристик різко відрізняє тунельний діод від звичайного випрямного діода.

При прямій напрузі струм в діоді обумовлений тунельним переходом електронів із зони провідності на вільні місця в валентної зоні. Оскільки тунельні переходи відбуваються без розсіювання, тобто зі збереженням енергії туннелируют частки, то на зонного діаграмі ці процеси будуть відображені прямими горизонтальними лініями. На малюнку 2.12 показані зонні діаграми тунельного діода при прямому зміщенні, що відповідають трьом точкам на прямій ділянці вольт - амперної характеристики.

Рис.2.11. Вольт - амперна характеристика тунельного діода (а) і його зонна діаграма при зворотному зміщенні (б)

Мал. 2.12. Зонні діаграми тунельного діода при прямому зміщенні: а) ділянку 1; б) ділянка 2; в) ділянка 3

На дільниці 1 при невеликому прямому напрузі навпаки електронів зони провідності починають з'являтися вільні місця в валентної зоні при тій же самій енергії. У міру зростання напруги число вільних місць зростає, і струм зростає з ростом напруги. Тунельний струм досягає максимуму, коли всі вільні місця в валентної зоні виявляються по енергії навпаки енергетичних рівнів, зайнятих електронами в зоні провідності (ділянка 2). Потім, у міру зростання прямого напруги, число цих вільних місць починає зменшуватися, оскільки по енергії навпаки рівнів, зайнятих електронами в зоні провідності виявляються стану в забороненій зоні (енергетичні рівні в ідеальних напівпровідниках в забороненій зоні відсутні). На ділянці 3 тунельний струм зменшується з ростом напруги і перетворюється в нуль, коли заборонена зона p + -полупроводніка буде знаходитися по енергії навпаки рівнів, зайнятих електронами в зоні провідності.

При подальшому зростанні прямої напруги з'являється компонента звичайного дифузійного струму p-n переходу. Ділянка 3 на малюнку 2.12 - це ділянка з негативним диференціальним опором.

На відміну від інших СВЧ приладів тунельні діоди мають отріцательнуюактівную провідність вшіроком діапазоні частотвплоть доf = 0.

Мал. 2.13. Еквівалентна схема замещеніятуннельного діода (а). Топологічна схема микрополосковой підсилю-теля, виконаного на основі ТД (б). Структур-ва схема підсилю-теля (в)

При виготовленні ТД прини-мают заходи для сніженіяLnoc до значень менше 0,1 нГн шляхом зменшення висоти керамічної втулки корпуса і використання конструкцій з балочними висновками. Ємність диодной структури для збільшення крайней частотиfкр повинна бути невеликою (0,2-2,5 пФ) .Усілітель на тунельному діоді є регенеративним підсилите-лем. У ньому посилення сигналу досягається за рахунок введення в ланцюг елемента з негативним опором, в даному випадку ТД. Тунельний діод компенсує як власні втрати енергії коливань в ланцюг, так і втрати її внаслідок передачі в навантаження, включену на виході підсилювача відбивного типу. Його включають в схему через циркулятор (багатополюсному пристрій для спрямованої передачі електромагнітних коливань). Коефіцієнт посилення на один каскад невеликий і становить зазвичай всього 10-15 дБ.Полоса частот залежить від коефіцієнта посилення, ємності і негативні-ного опору діода відповідно до загального співвідношенням для регенеративних підсилювачів.

Для запобігання самозбудження поза робочої смуги частот в підсилювачах на ТД застосовується стабілізуючий ланцюг 2 (рисунок 2.13, б, в). На вході підсилювача підключають согласующее устрій-ство 1 у вигляді последовательногоL1C1-контуру і настроювальної Індуктори тівностіLн. Стабілізуючий ланцюг 2 утворена опором потерьRCT і параллельнимL2 C2 -контурoм, резонансна частота кото-рого збігається із середньою частотою підсилювача. Поблизу резонансу опір L2 C2 -контур велике і вплив стабілізуючої ланцюга на роботу підсилювача незначно. Поза робочої смуги частот опір контуру мало і стабілізуючий ланцюг шунтирует діод.Для виключення релаксаційних коливань в ланцюзі харчування діода, внутрішній опір джерела постійного зміщення повинно бути мало.

У схемі, наведеній на рисунку 2.13, в, діод включений в кінці МПЛ, а індуктивність L2 стабілізуючою ланцюга іLH согласующей цепіобразовани відрізками лінії з великим хвильовим опором. Є також ємність стабілізуючою ланцюга С2 і блокировочная ємність Сбл.

Широкосмугові підсилювачі на тунельних діодах мають малий рівень шумів, так як в ТД, що працюють при малих токах (1-5 мА), дробові шуми невеликі. У германієвих діодів коеф-фициент шуму становить в сантиметровому діапазоні 4-7 дБ. Біль-шие коефіцієнти шуму відповідають частотам вище 10 ГГц.Коеффіціенти шуму арсенід-галієвих і кремнієвих діодів вище, ніж у германієвих діодів.

До вад підсилювачів на ТД відносяться мала потужність наси-щення, а також нестійкість тунельних діодів до перевантажень слідом-ствие малого діаметра переходу. Слід зазначити, що в даний час у зв'язку з виробництвом малошумливих транзисторів і вдосконалення-лення змішувальних діодів число пристроїв, в яких використовують підсилювачі на тунельних діодах, скоротилося.