Удивительный полупроводниковый прибор - туннельный диод

Видео: Открытие p--n перехода

При изучении механизма выпрямления переменного тока на участке соприкосновения двух разных сред - полупроводника и металла, была выдвинута гипотеза, что в его основе лежит так называемый туннельный эффект носителей заряда. Однако на тот момент (1932 год) уровень развития полупроводниковых технологий не позволил подтвердить догадку опытным путем. Лишь в 1958 году японский ученый Есаки сумел блестяще ее подтвердить, создав первый в истории туннельный диод. Благодаря его удивительным качествам (в частности, быстродействию), данный прибор привлек внимание специалистов различных технических областей. Здесь стоит пояснить, что диод - это электронный прибор, представляющий собой объединение в едином корпусе двух различных материалов, обладающих разными типами проводимости. Поэтому электрический ток может проходить по нему только в одном направлении. Смена полярности приводит к «закрытию» диода и росту его сопротивления. Увеличение напряжения приводит к «пробою».

Рассмотрим, как работает туннельный диод. Классический выпрямительный полупроводниковый прибор использует кристаллы с количеством примесей не более 10 в степени 17 (-3 степень сантиметра). А так как данный параметр непосредственно связан с числом свободных носителей заряда, то получается, что последних никогда не может быть больше указанной границы.

Существует формула, позволяющая определить толщину промежуточной зоны (перехода p-n):

Видео: Золото из радиодеталей

L = ((E*(Uk-U))/(2*Pi*q))*((Na+Nd)/(Na*Nd))*1050000,

где Na и Nd – количество ионизованных акцепторов и доноров соответственно- Pi – 3.1416- q – значение заряда электрона- U – подведенное напряжение- Uk – разность потенциалов на участке перехода- E – значение диэлектрической проницаемости.

Видео: В Петербурге выращивают уникальные кристаллы для светодиодов.

Следствием из формулы является тот факт, что для p-n перехода классического диода характерны низкая напряженность поля и относительно большая толщина. Чтобы электроны могли попасть в свободную зону, им требуется дополнительная энергия (сообщаемая извне).

Туннельный диод использует в своей конструкции такие виды полупроводников, которые изменяют содержание примесей до 10 в степени 20 (-3 степень сантиметра), что на порядок отличается от классических. Это приводит к кардинальному уменьшению толщины перехода, резкому повышению напряженности поля в области p-n области и, как следствие, возникновению туннельного перехода, когда электрону для попадания в валентную зону не нужна дополнительная энергия. Это происходит потому что энергетический уровень частицы не изменяется при прохождении барьера. Туннельный диод легко отличить от обычных по его вольт-амперной характеристике. Указанный эффект создает на ней своеобразный всплеск – отрицательное значение дифференциального сопротивления. Благодаря этому туннельные диоды получили широкое распространение в высокочастотных устройствах (уменьшение толщины p-n промежутка делает такой прибор быстродействующим), точной измерительной аппаратуре, генераторах и, конечно же, вычислительной технике.

Видео: Электротехника Полупроводники СССР 1978

Хотя ток при туннельном эффекте способен протекать в обоих направлениях, при прямом подключении диода напряженность в зоне перехода возрастает, уменьшая количество электронов, способных на туннельное прохождение. Увеличение напряжения приводит к полному исчезновению туннельного тока и воздействие оказывается лишь на обычный диффузный (как в классических диодах).

Также существует еще один представитель подобных приборов - обращенный диод. Он представляет собой тот же туннельный диод, но с измененными свойствами. Отличие в том, что значение проводимости при обратном подключении, в котором обычный выпрямляющий прибор «закрывается», у него выше, чем при прямом. Остальные свойства соответствуют туннельному диоду: быстродействие, малые собственные шумы, способность выпрямлять переменные составляющие.