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.

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.

Туннельным диодом называют полупроводниковый диод на основе p + -n + перехода с сильнолегированными областями, на прямом участке вольт-амперной характеристики которого наблюдается n-образная зависимость тока от напряжения. На рисунке 4.14 приведена вольт-амперная характеристика типичного туннельного диода при прямом смещении.

Проанализируем особенности вольт-амперной характеристики туннельного диода. Для этого рассмотрим p + -n + переход, образованный двумя вырожденными полупроводниками.

Если концентрация доноров и акцепторов в эмиттере и базе диода будет N A , N D ~ 10 20 см -3 , то концентрация основных носителей будет много больше эффективной плотности состояний в разрешенных зонах p p0 , n n0 >> N C , N V . В этом случае уровень Ферми будет находиться в разрешенных зонах p + и n + полупроводников.

Рис. 4.14. Туннельный диод 1И104 :
а) вольт-амперная характеристика при прямом смещении; б) конструкция туннельного диода

В полупроводнике n + типа все состояния в зоне проводимости вплоть до уровня Ферми заняты электронами, а в полупроводнике p + -типа - дырками. Зонная диаграмма p + -n + перехода, образованного двумя вырожденными полупроводниками, приведена на рисунке 4.15.

Рис. 4.15. Зонная диаграмма p + -n + перехода в равновесии

С позиции анализа токов для диффузионного тока (прямого) имеет место большая высота потенциального барьера. Чтобы получить типичные значения прямого тока, нужно приложить большое прямое напряжение (больше или примерно равное половине ширины запрещенной зоны E g /2). В выражении для дрейфового тока (обратного) концентрация неосновных носителей p n0 = n i 2 /N D мала и поэтому обратный ток тоже будет мал.

Рассчитаем, чему равна геометрическая ширина вырожденного p-n перехода. Будем считать, что при этом сохраняется несимметричность p-n перехода (p + - более сильнолегированная область). Тогда ширина p + -n + перехода мала:

Дебройлевскую длину волны электрона оценим из простых соотношений:

Таким образом, геометрическая ширина p + -n + перехода оказывается сравнима с дебройлевской длиной волны электрона. В этом случае в вырожденном p + -n + переходе можно ожидать проявления квантово-механических эффектов, одним из которых является туннелирование через потенциальный барьер. При узком барьере вероятность туннельного просачивания через барьер отлична от нуля.

Рассмотрим более подробно туннельные переходы в вырожденных p + -n + переходах при различных напряжениях. На рисунке 4.16 показана зонная диаграмма туннельного диода при обратном смещении.

Рис. 4.16. Зонная диаграмма туннельного диода при обратном смещении

При обратном напряжении ток в диоде обусловлен туннельным переходом электронов из валентной зоны на свободные места в зоне проводимости. Поскольку концентрация электронов и число мест велики, то туннельный ток резко возрастает с ростом обратного напряжения. Такое поведение вольт-амперных характеристик резко отличает туннельный диод от обычного выпрямительного диода.

При прямом напряжении ток в диоде обусловлен туннельным переходом электронов из зоны проводимости на свободные места в валентной зоне. Поскольку туннельные переходы происходят без рассеяния, то есть с сохранением энергии туннелирующей частицы, то на зонной диаграмме эти процессы будут отражены прямыми горизонтальными линиями. На рисунке 4.17 показаны зонные диаграммы туннельного диода при прямом смещении, соответствующие трем точкам на прямом участке вольт-амперной характеристики.

Рис. 4.17. Зонные диаграммы туннельного диода при прямом смещении:
а) участок 1; б) участок 2; в) участок 3

На участке 1 при небольшом прямом напряжении напротив электронов зоны проводимости начинают появляться свободные места в валентной зоне при той же самой энергии. По мере роста напряжения число свободных мест возрастает и ток растет с ростом напряжения. Туннельный ток достигает максимума, когда все свободные места в валентной зоне оказываются по энергии напротив энергетических уровней, занятых электронами в зоне проводимости (участок 2). Затем, по мере роста прямого напряжения, число этих свободных мест начинает уменьшаться, поскольку по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости оказываются состояния в запрещенной зоне (энергетические уровни в идеальных полупроводниках в запрещенной зоне отсутствуют). На участке 3 туннельный ток уменьшается с ростом напряжения и превращается в ноль, когда запрещенная зона p + полупроводника будет находиться по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости.

При дальнейшем росте прямого напряжения появляется компонента обычного диффузионного тока p-n перехода.

Участок 3 на рисунке 4.17 - это участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Рассмотрим более подробно вольт-амперную характеристику туннельного диода.

Решение уравнения (4.18) для случая прямого смещения имеет следующий вид:

(4.24)

где ε 1 и ε 2 - расстояние от энергии Ферми до дна зоны проводимости или вершины валентной зоны.

Рис. 4.18. Температурные зависимости прямого тока от напряжения в туннельных диодах :
а) германиевый диод 1И403; б) арсенидгаллиевый диод 3И202

Расчет вольт-амперных характеристик туннельного диода по уравнению (4.24) дает хорошее согласие с экспериментом. На рисунке 4.18 приведены температурные зависимости прямого тока от напряжения в туннельных диодах, изготовленных из германия и арсенида галлия. Видно, что у диода с более широкозонным материалом GaAs, чем Ge, минимум тока наблюдается при больших значениях прямого напряжения.

Отметим, что туннельный диод имеет высокие значения максимальной граничной частоты f max ~ 10 9 Гц, поскольку времена процессов при туннелировании составляют наносекунды, то есть τ min ~ 10 -9 c. По этой причине туннельные диоды используются в СВЧ-технике.

Рассмотрим вольт-амперные характеристики p-n перехода в особом случае, когда энергия Ферми в электронном и дырочном полупроводниках совпадает или находится на расстоянии + kT/q от дна зоны проводимости или вершины валентной зоны. В этом случае вольт амперные характеристики такого диода при обратном смещении будут точно такие же, как и у туннельного диода, то есть при росте обратного напряжения будет быстрый рост обратного тока. Что касается тока при прямом смещении, то туннельная компонента ВАХ будет полностью отсутствовать в связи с тем, что нет полностью заполненных состояний в зоне проводимости. Поэтому при прямом смещении в таких диодах до напряжений, больше или равных половине ширины запрещенной зоны, ток будет отсутствовать. С точки зрения выпрямительного диода вольт-амперная характеристика такого диода будет инверсной, то есть будет высокая проводимость при обратном смещении и малая при прямом. В связи с этим такого вида туннельные диоды получили название обращенных диодов. На рисунке 4.19 приведена вольт-амперная характеристика обращенного диода.

Рис. 4.19. Вольт-амперная характеристика германиевого обращенного диода ГИ403 :
а) полная ВАХ; б) обратный участок ВАХ при разных температурах

Таким образом, обращенный диод - это туннельный диод без участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Высокая нелинейность вольт-амперной характеристики при малых напряжениях вблизи нуля (порядка микровольт) позволяет использовать этот диод для детектирования слабых сигналов в СВЧ-диапазоне.