Преимущества и недостатки туннельных диодов по сравнению с электронными лампами и транзисторами легче всего понять на примерах конкретных схем.

Первой задачей, которую необходимо решить при построении любой схемы, является задание рабочей точки по постоянному току. Как следует из вида вольт-амперной характеристики (рис. 1), для однозначного задания рабочей точки на падающем участке необходимо задавать постоянное смещение на туннельный диод от источника напряжения. Это означает, что сопротивление постоянному току (включая и внутреннее сопротивление источника смещения), включенное последовательно с туннельным диодом, должно быть меньше дифференциального сопротивления туннельного диода в рабочей точке 2. Этому случаю соответствует линия нагрузки R 1 .

Рис. 1. Различные режимы работы туннельного диода при изменении сопротивления нагрузки.

Поскольку абсолютная величина дифференциального сопротивления в рабочей точке обычно составляет единицы или десятки ом, то внутреннее сопротивление источника постоянного смещения должно быть во всяком случае на порядок меньше, т. е. составлять десятые доли или единицы ома. При этом напряжение источника Е должно быть 100-200 ма. Легко подсчитать, что потребляемая туннельным диодом от батареи смещения мощность P=I0U0 при I0=5 ма н U0=0,1 в составляет 500 мквт. Эта мощность оказывается примерно в 10 раз меньше мощности, необходимой для питания аналогичной схемы на транзисторе, и в несколько тысяч раз меньше мощности, потребляемой электронной лампой.

Однако в настоящее время это преимущество туннельных диодов нельзя полностью использовать, так как для питания схем на туннельных диодах обычно используют стандартные элементы напряжением 1,5-2,2 в, погасив излишек напряжения на балластном сопротивлении. Понятно, что в этом случае мощность, потребляемая от источника питания, будет существенно больше.

На рис. 2 показана типовая схема питания туннельного диода ТД от источника напряжением Е=1,5 в.

Рис. 2. Схема питания туннельного диода.

Если сопротивление R 1 выбрано много меньше |R| и известно U 0 , то величина балластного сопротивления R б находится по следующей формуле:

Например, если E=1,5 в, U 0 =0,1 в и R 1 =1 ом, то R б =14 ом. При этом ток, потребляемый от батареи, будет равен , т. е. 100 ма, а расходуемая мощность Р=IE=150 мвт. Таким образом, использование „высоковольтного" источника привело к увеличению мощности в 300 раз!

Если сопротивление постоянному току, включенное последовательно с диодом, будет много больше его дифференциального сопротивления на падающем участке характеристики, то линия нагрузки будет соответствовать прямой R2 на рис. 1. В этом случае прямая R2 пересекает вольт-амперную характеристику в точках 1, 2 и 3 В теории колебаний доказывается, что устойчивым положениям равновесия будут соответствовать только точки 1 и 3, а точка 2 будет неустойчивой. Это означает, что рабочая точка в данный момент времени может соответствовать напряжению на туннельном диоде либо U", либо U" (рис. 1). Таким образом, если источник имеет внутреннее сопротивление R2≥|R|, то невозможно задать рабочую точку на падающем участке характеристики. Такой режим питания используется при создании импульсных схем. Режим же, соответствующий заданию рабочей точки на падающем участке характеристики (R1≤|R|), используется в схемах усилителей и генераторов гармонических колебаний.

Схемы генераторов гармонических колебаний. Ознакомление применением туннельных диодов мы начнем с рассмотрения схем генераторов гармонических колебаний, так как их построение оказывается наиболее простым и понятным.

Как уже, очевидно, стало понятно читателю, основное отличие туннельного диода от электронных ламп и транзисторов с точки зрения применения их в радиотехнических схемах сводится к тому, что туннельный диод - двухполюсник, т. е. имеет только два выходных зажима. В электронной лампе или транзисторе, которые являются трехполюcниками, усиление сигнала возможно только в одном направлении (сетка - анод или база - коллектор) и невозможно в обратном. Эти приборы - однонаправленные. Туннельный же диод не имеет раздельных входа и выхода и, таким образом, является ненаправленным.

Последнее обстоятельство приводит к довольно серьезным осложнениям при построении многокаскадных усилительных и импульсных схем, где необходимо осуществить направленную передачу сигнала с входа на выход. В схемах же любых генераторов всегда имеется только два выходных зажима, с которых снимается сигнал, и поэтому указанная особенность туннельного диода в данном случае не является недостатком.

Простейшая схема генератора гармонических колебаний показана на рис. 3. Эквивалентная схема этого генератора соответствует схеме Цепь, образованная из батареи Б, сопротивлений R 1 , R б и емкости С, обеспечивает необходимое постоянное смещение на диоде ТД. В отличие от схемы на рис. 2 в цепи смещения добавлен блокировочный конденсатор С 1 , емкость которого должна быть выбрана из таких соображений, чтобы ее сопротивление на рабочей частоте было примерно в 10 раз меньше сопротивления Ri. Поэтому емкость этого конденсатора надо рассчитывать по следующей формуле:

где С, - мкф, f - гц, а R 1 - ом.

Колебательный контур на рис. 3 образуется из емкости диода С, индуктивности L и подстроечного конденсатора С 2 . Рабочая частота определяется по известной формуле:

Сопротивление Rн служит нагрузкой, на которую должен работать генератор.

Рис. 3. Схема генератора гармонических колебаний.

Если надо построить генератор с малым содержанием гармоник, то необходимо, чтобы амплитуда колебаний А не «выходила» за линейный участок характеристики. Этот участок примерно равен ±0,1 U 0 . Поэтому амплитуда колебаний для германиевых диодов обычно составляет 2-10 мв.

Обеспечить достаточно малую амплитуду возможно лишь при условии, если сопротивление диода в рабочей точке примерно равно параллельному соединению из сопротивлений нагрузки Rн и контура Rэкв. Поскольку, как мы уже видели, контур с средней добротностью имеет Rэкв≈105 ом, то практически это условие эквивалентно |R|=Rн. При этом отбираемая в нагрузку колебательная мощность Для типовых значений |R|=20 ом и A=5 мв, мощность Р=1,2 мквт.

Если нелинейные искажения не имеют существенного значения, то можно считать, что размах колебаний равен U 2 -U 1 . В этом случае выходная мощность для германиевых диодов будет равна

В УКВ и СВЧ диапазонах принцип построения генераторных схем остается таким же, только вместо контуров с сосредоточенными элементами С и L используют распределенные системы типа линий или объемных резонаторов.

По зарубежным данным верхний частотный предел генерации, достигнутый в настоящее время, несколько превышает 100 Ггц (λ-3 мм). Выходная мощность при этом составляет несколько микроватт.

Усилители на туннельных диодах. Простейшая схема широкополосного усилителя на туннельном диоде представлена на рис. 4,а, а на рис. 4,б показана его эквивалентная схема. Принцип действия усилителя сводится к следующему. Допустим, что внутреннее сопротивление генератора Rг оказывается много больше сопротивления нагрузки Rн, тогда в контуре, образованном из параллельного соединения Rн и туннельного диода ТД, может протекать сколь угодно большой ток, если Rн стремится к |R|. Другими словами, отрицательное сопротивление |R| можно подобрать таким, что оно почти полностью скомпенсирует потери, вносимые нагрузкой Rн. Следовательно, выходная мощность в нагрузке может быть во много раз больше мощности, отбираемой от генератора.

В том случае, когда сопротивление Rг оказывается соизмеримым с Rн, диод должен быть выбран так, чтобы его дифференциальное сопротивление по абсолютному значению было несколько больше, чем

Тот факт, что сопротивление |R| должно быть всегда несколько больше, чем Rн или Rп, связан с тем, что только при этом условии усилитель будет работать устойчиво, т. е. можно будет «устойчиво» задать рабочую точку на падающем участке характеристики (точка 2 на рис. 1).

Как следует из рис. 4,а выходные зажимы генератора являются общими с выходными зажимами усилителя. Как уже было отмечено выше, это обстоятельство затрудняет построение многокаскадных усилителей на туннельных диодах. В радиовещательных диапазонах пока еще нет достаточно эффективных способов, позволяющих «развязать» один каскад от другого. Поэтому, на этих частотах, как правило, используются однокаскадные усилители. В диапазоне СВЧ в качестве развязывающих элементов используют ферритовые направленные ответвители - циркуляторы, которые позволяют «направить» электрические колебания только в одном направлении и, таким образом, разделить вход от выхода.

Рис. 4. Принципиальная (а), эквивалентная (б) схемы широкополосного усилителя.

Следует отметить, что использование усилителей на туннельных диодах в радиовещательном диапазоне частот мало перспективно. В этом диапазоне целесообразнее применять транзисторы, обладающие достаточно хорошими усилительными свойствами и позволяющие создавать стабильные м,ногокаскадные усилители, потребляя при этом примерно ту же мощность от источников питания, что и туннельные диоды.

Поскольку усилители да туннельных диодах не имеют раздельных входа и выхода, то и определение коэффициента усиления для них имеет свои особенности. Под коэффициентом усиления по мощности в этом случае понимают отношение мощностей в нагрузке при включенном и выключенном диоде.

Таким образом, этот коэффициент показывает, какую мощность «вносит» туннельный диод в нагрузку по сравнению с пассивной цепью, образованной из сопротивлений Rг и Rн. Поэтому его обычно называют коэффициентом вносимого усиления Kв. Для простейшей схемы на рис. 4 величина Kв на низких частотах может быть подсчитана по следующей формуле:

При |R|=Rп коэффициент усиления обращается в бесконечность. Это означает, что схема становится неустойчивой. Поэтому Rп всегда выбирают несколько меньше |R|.

Преобладающее большинство усилителей на туннельных диодах являются усилителями резонансного типа. В этом случае параллельно сопротивлению нагрузки включается индуктивность L, которая совместно с емкостью диода образует резонансный контур. По внешнему виду схема резонансного усилителя ничем не отличается от схемы генератора, изображенного на рис. 10. Разница между ними сводится лишь к тому, что на резонансной частоте в схеме усилителя не выполняются условия самовозбуждения, в то время как в схеме генератора это условие является необходимым. В схеме усилителя на частотах, отличных от резонансной, контур шунтирует нагрузку и усиление уменьшается.

Важной характеристикой любого усилительного элемента является его добротность, определяемая как произведение полосы пропускания на коэффициент усиления по напряжению. Для электронных ламп эта величина, как известно, равна Для туннельных диодов, как нетрудно показать, коэффициент усиления по напряжению К U =√Kв. Добротность же туннельного диода выражается следующей формулой:

При значениях |R|=20 ом и С=10 пф добротность Δf/Ku≈800 Мгц. Это означает, что на обычном туннельном диоде может быть построен усилитель с полосой пропускания 40 Мгц и коэффициентом усиления Ки=20 (Kв=400). Приведенные значения совершенно недостижимы для однокаскадного лампового усилителя, так как наилучшая добротность у современных электронных ламп оказывается порядка 200 Мгц.

Конструкции современных высокочастотных усилителей на туннельных диодах весьма разнообразны. Их габариты и вес сильно зависят от рабочей частоты, определяющей размеры распределенных колебательных контуров и органов подстройки.

Современные усилители на туннельных диодах работают до частот порядка нескольких десятков гигагерц (λ≤1 см) с коэффициентом усиления Ku=10 3 -10 4 (т. е. 30-40 дб).

Импульсные схемы на туннельных диодах. Эти схемы можно разбить на три основных типа: мультивибраторы, одновибраторы (ждущие мультивибраторы) и триггеры. Два последних типа схем часто называют спусковыми схемами, так как они работают только при наличии внешнего спускового сигнала. Простейшие спусковые схемы на туннельном диоде представлены на рис. 5.

Рис. 5. Спусковые схемы на туннельных диодах, а - схема триггера; б - схема одновибратора.

На рис. 5,а приведена схема триггера, Принцип действия этой схемы сводится к следующему. Если сопротивление в цепи питания R2 выбрано очень большим, так что выполняется условие R 2 ≥|R|, то линия нагрузки, как показано на рис. 1, будет соответствовать прямой R 2 . Поэтому диод будет находиться либо под напряжением U" либо под напряжением U". Другого устойчивого положения равновесия быть не может.

Допустим, что исходным положением является точка 1. Если теперь через сопротивление Rг≥|R| подать на диод импульс от внешнего генератора, то рабочая точка может «перейти» из положения 1 в положение 3. Это произойдет только в том случае, когда амплитуда тока запускающего импульса I 1 =u/Rг окажется больше, чем разность Iмакс-I 2 (рис. 1).

После того как схема «перешла» в другое положение равновесия (точка 3 на рис. 1), для ее повторного срабатывания необходимо уже подать импульс отрицательной полярности с амплитудой, большей, чем I 3 -Iмин. Подавая на схему (рис. 5,а) последовательность разнополярных импульсов, можно получить на выходе колебания с амплитудой U"-U", близкие по форме к прямоугольным.

Переключение схемы из одного положения равновесия в другое происходит за очень короткий промежуток времени, пропорциональный |R|C. Это время соответствует длительности фронтов выходных импульсов.

Триггер является основным элементом любой электронной вычислительной машины. Чем выше скорость его срабатывания, тем больше математических операций в единицу времени может совершить данная машина. Триггеры на туннельных диодах срабатывают за время порядка 10 -9 -10 -8 сек и, таким образом, оказываются чрезвычайно перспективными для быстродействующих вычислительных машин.

С помощью триггера очень легко формировать прямоугольные импульсы из синусоидального напряжения. Для этого на вход вместо разнополярных импульсов надо подать гармоническое напряжение. На выходе схемы получится последовательность прямоугольных импульсов с частотой входного сигнала. Современные туннельные диоды надежно работают в таком режиме до частот порядка нескольких десятков мегагерц.

Другая разновидность спусковой схемы - одновибратор - изображена на рис. 5,б. В этом случае напряжение источника смещения Е1 и сопротивление R" 2 или R" 2 выбираются так, чтобы линия нагрузки пересекала вольт-амперную характеристику диода только в одной точке на любой из ее восходящих ветвей (рис. 6). Если исходная рабочая точка соответствует положению 1, то под действием внешнего положительного импульса тока схема будет «переброшена» а район точки 3 на другой восходящий участок характеристики и останется там до тех пор, пока внешний сигнал не будет снят.

Рис. 6. Различные режимы работы одновибратора.

После снятия внешнего сигнала схема возвратится в исходное состояние не мгновенно, а через некоторое время, определяемое сопротивлениями R" 2 , Rг и параметрами диода. Если рабочая точка выбрана в точке 3 (рис. 1), то для работы схемы необходимо на ее вход подавать последовательность отрицательных импульсов.

Таким образом, на выходе одновибратора можно получить последовательность прямоугольных импульсов с калиброванной длительностью, не зависящей От формы и длительности входного сигнала.

В рассмотренной выше схеме триггера на одном туннельном диоде (рис. 5,а) условия запуска из точки 1 в точку 3 могут существенно отличаться от условий запуска из точки 3 в точку 1. Связано это с тем, что вольтамперная характеристика в районе Iмакс и Iмин несимметрична и, таким образом, в зависимости от направления переключения амплитуда запускающего сигнала, необходимая для срабатывания схемы, может быть различной. Поскольку же входные сигналы обычно имеют одинаковую амплитуду и длительность, то указанный недостаток может привести к ненадежному срабатыванию схемы в одном из направлений.

От этого недостатка свободна схема на двух туннельных диодах (рис. 7), условно называемая в иностранной литературе схемой «Твин». В этой схеме один из диодов, например ТД2) можно рассматривать как сопротивление нагрузки для диода ТД1. Тогда для построения линии нагрузки для диода ТД1 достаточно из точки U=E построить перевернутую вольт-амперную характеристику диода ТД2 (рис. 8). В результате такого построения мы получим две характеристики, пересекающиеся в трех точках, причем точка 2 будет по-прежнему неустойчивой, а точки 1 и 3 останутся устойчивыми. Поскольку же средняя точка батареи смещения заземлена, точке 2 на рис. 8 будет соответствовать нулевой потенциал относительно «земли». Поэтому условия запуска схемы «Твин» окажутся совершенно одинаковыми для любого направления. При этом, конечно, необходимо подбирать диоды с одинаковыми характеристиками.

Рис. 7. Принципиальная схема "Твин"

Рис. 8. Вольт-амперная характеристика для схемы "Твин".

Напряжение, снимаемое со схемы «Твин», показано на рис. 9. Здесь видно, что выходное напряжение изменяется от +U" до -U".

Рис. 9. Форма напряжения на выходе схемы "Твин".

Схема «Твин» может работать и как мультивибратор, если между зажимом «земля» и выходным зажимом включить индуктивность L (рис. 10). В этом случае точки 1 и 3 (рис. 8) станозятся неустойчивыми, если L>8|R| -2 С, где |R| - усредненное дифференциальное сопротивление диода на падающем участке характеристики (рис. 6). Форма колебаний на выходе мультивибратора близка к прямоугольной (рис. 9).

Рис. 10. Принципиальная схема мультивибратора.

Незначительная асимметрия колебаний может быть достигнута за счет использования диодов с различными параметрами. Длительность плоской части импульса может быть грубо оценена по следующей формуле:

где r L - сопротивление индуктивности постоянному току, а r 1 - сопротивление диода постоянному току на участке характеристики от U 0 до U 1 . Обычно r 1 составляет несколько ом. Напряжение источника питания E/2 должно быть выбрано в интервале от от U 0 до U 2 .

Рассмотренные схемы не исчерпывают многообразия применений туннельного диода в различных радиотехнических устройствах. Необходимо указать, что туннельный диод оказывается весьма перспективным прибором при детектировании очень малых напряжений (около 1 мв), умножении и преобразовании высоких частот и др. В последнее время появились такие приборы, как транзисторы с туннельным эмиттером, позволяющие создавать более совершенные импульсные схемы.

Следует также отметить, что исследования в области изучения физики туннельного эффекта в полупроводниках и создание приборов, использующих этот эффект, находятся еще далеко не в завершенной фазе. Поэтому в ближайшем будущем а этой области следует ожидать еще много новых открытий и изобретений.

В отличие от всех остальных полупроводниковых диодов для изготовления туннельных диодов используют вырожденные полупроводники с высокой концентрацией примесей N =10 18 ÷10 20 см −3 . Вследствие чего толщина p-n- перехода оказывается малой порядка 10 −2 мкм. Сквозь такие тонкие потенциальные барьеры возможно туннелирование носителей заряда.

ВАХ туннельного диода приведена на рис.13. На рисунке отмечены точки, для которых построены зонные диаграммы. Для упрощения рисунков на зонных диаграммах не изображены источники питания.

В диоде без внешнего смещения (точка а) происходит туннелирование электронов из n- области в p- область и обратно. Встречные потоки электронов равны, поэтому суммарный ток через диод равен нулю.

При небольшом прямом напряжении на туннельном диоде (точка б) энергия электронов в n- области увеличивается, и уровни энергии смещаются вверх. При этом происходит преимущественное туннелирование электронов из n -области в p - область, кроме того, возникает небольшой диффузионный ток электронов через понизившийся потенциальный барьер.

При прямом напряжении на диоде U пика (точка в), когда занятые электронами уровни энергии в n -области окажутся на одной высоте со свободными энергетическими уровнями в p -область туннельный ток I пика станет максимальным.

При дальнейшем увеличении прямого напряжения (точка г) туннельный ток будет уменьшаться, ток как из-за смещения уровней энергии уменьшится количество электронов способных туннелировать из n -области в p - область.

Туннельный ток через диод окажется равным нулю при напряжении U впадины (точка д), когда для свободных электронов в n -области в p - области не окажется свободных энергетических уровней. Однако при этом через диод будет проходить прямой ток I впадины, связанный с диффузией электронов через понизившийся потенциальный барьер.

При обратном напряжении на туннельном диоде (точка ж) снова возникают условия для туннелирования электронов из p -области в n -область. Возникающий при этом обратный ток будет расти по абсолютному значению с ростом по абсолютному значению обратного напряжения. Можно считать, что у туннельного диода происходит туннельный пробой при малых (по абсолютной величине) обратных напряжениях.

Таким образом, в интервале напряжений от U пика до U впадины, туннельный диод обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. Как и всякий прибор с отрицательным дифференциальным сопротивлением туннельный диод может быть использован для генерации и усиления электромагнитных сигналов.

Основные параметры туннельных диодов:

1. Пиковый ток I пика – ток в точке максимума ВАХ, при котором производная . Этот ток может составлять от десятых долей миллиампера до сотен миллиампер.

2. Ток впадины I впадины – ток в точке минимума ВАХ при котором .

3. Отношение токов туннельного диода I пика / I впадины. Для туннельных диодов из арсенида галлия I пика / I впадины ≥10. для германиевых диодов I пика / I впадины =3÷6.

4. Напряжение пика U пика – прямое напряжение соответствующее пиковому току. Для туннельных диодов из арсенида галлия U пика =100÷150мВ, для германиевых диодов U пика =40÷60мВ.

5. Напряжение впадины U впадины – прямое напряжение соответствующее току впадины. Для туннельных диодов из арсенида галлия U впадины =400÷500мВ. для германиевых диодов U впадины =250÷350мВ.

6. Напряжение раствора U рр – прямое напряжение большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому току.

7. Удельная емкость туннельного диода С д /I пика – отношение емкости туннельного диода, измеренной при I пика к пиковому току.

Туннельный переход электронов через \(p\)-\(n\)-переход возможен, если толщина перехода мала и энергетическим уровням, заполненным электронами в одной области, соответствуют такие же свободные разрешенные энергетические уровни в соседней области. Эти условия выполняются в переходах, образованных полупроводниками с высокой концентрацией примесей (вырожденные полупроводники). При этих условиях ширина \(p\)-\(n\)-перехода очень мала, что обусловливает высокую напряженность электрического поля в переходе и вероятность туннельного прохождения электронов через его потенциальный барьер.

Туннельный диод - это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперной характеристике при прямом напряжении участка отрицательной дифференциальной проводимости. Вольт-амперная характеристика туннельного диода приведена на рис. 2.7‑1.

Рис. 2.7-1. Вольт-амперная характеристика туннельного диода

Туннельный ток может проходить через переход в обоих направлениях. Однако в области прямого смещения туннельный ток сначала резко растет, а достигнув некоторого максимального значения, затем резко убывает. Снижение тока связано с тем, что с увеличением напряженности электрического поля в переходе в прямом направлении уменьшается число электронов, способных совершить туннельный переход. При некотором значении прямого напряжения число таких электронов становится равным нулю и туннельный ток исчезает совсем. Дальнейшее увеличение прямого напряжения оказывает влияние только на прямой диффузионный ток, который увеличивается с ростом напряжения также, как и у обычных выпрямительных или универсальных диодов. В области обратного смещения у туннельных диодов наблюдается только резкий рост туннельного тока при увеличении обратного напряжения.

Ввиду очень малой толщины \(p\)-\(n\)-перехода туннельного диода время перехода электронов через него очень мало, поэтому туннельный диод в области малых напряжений - практически безынерционный прибор. Его частотные характеристики определяются в основном барьерной емкостью перехода и различными утечками.

Наличие на вольт-амперной характеристике туннельного диода участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением (отношение приращения напряжения к приращению тока) позволяет использовать диод в усилителях и генераторах электрических колебаний, а также в разнообразных импульсных устройствах, что тем более оправдано, учитывая высокое быстродействие туннельных диодов. Качественные показатели таких устройств определяются длиной и линейностью участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением на ВАХ диода. В зависимости от того, для применения в каких из перечисленных выше устройств они предназначены, туннельные диоды делятся на усилительные , генераторные и переключательные .

Каждый из типов туннельных диодов имеет свои особенности. Например, для генераторных диодов очень важна линейность участка отрицательного дифференциального сопротивления, поскольку это обеспечивает отсутствие гармоник в генерируемом сигнале, а для переключательных диодов наиболее важной является крутизна этого участка.

Поскольку для изготовления туннельных диодов используются вырожденные полупроводники, по характеру проводимости приближающиеся к металлам, рабочая температура этих диодов приближается к 400 °C. Однако из-за низких рабочих напряжений и малых площадей переходов туннельные диоды имеют очень маленькую мощность.