5.4.     Параметры, применение

Из вышесказанного следует, что туннельный диод не имеет запирающего направления. Рабочим участком вольт-амперной характеристики туннельного диода является участок в—д (рис.5.2), на котором он обладает отрицательным динамическим (дифференциальным) сопротивлением:

                                                        R_i=dU/dI < 0                                                                     (5.2)

Минимальное абсолютное значение этого сопротивления является одним из основных параметров туннельного диода. Для различных типов диода оно имеет значение от единиц до десятков Ом.

Другими основными параметрами туннельных диодов являются (рис. 5.1 а):

—    максимальный прямой ток I₁ в точке максимума вольт-амперной характеристики;

—    минимальный прямой ток I₂ в точке минимума вольт-амперной характеристики;

— отношение токов в максимуме и в минимуме вольтамперной характеристики I₁/I₂;

— отрицательная дифференциальная проводимость G на участке АВ в точке максимума производной;

— напряжение переключения  ΔU_n = U₃—U₁, которое определяет возможный скачок напряжения на нагрузке при работе туннельного диода в схеме переключения;

—    барьерная емкостьC(U₂) диода, которая обычно измеряется при минимуме тока.

—    емкость в максимуме тока равна C(U₁) 0,8C(U₂).

—    напряжения, соответствующие максимальному и минимальному значениям тока U₁ и U₂,

—    напряжение раствора U₃, соответствующее максимальному току на второй восходящей ветви вольт-амперной характеристики.

На рис. 5.4 приведена эквивалентная схема туннельного диода по переменному току. Она состоит из барьерной емкости p-n-перехода С_б; динамического (отрицательного) сопротивления R_i - величины обратной крутизне ВАХ; сопротивления кристалла полупроводника, контактов и подводящих проводов r_s; индуктивности выводов диода L - полной последовательности индуктивности диода при заданных условиях и емкости корпуса С_кор. Емкость между выводами диода :

                     С=С_б+С_кор                                                                                  (5.3)

Основным преимуществом туннельных диодов является сохранение ими отрицательного сопротивления вплоть до сотен гигагерц. Дело в том, что туннельный ток не связан с медленными процессами диффузии или дрейфа носителей, а распространяется как обычный ток в проводнике со скоростью света.

Емкость перехода при толщине последнего порядка 10^-2 мкм составляет С=0,1¸0,5пФ. Так как от величины емкости зависят частотные свойства туннельного диода, ее стремятся сделать минимальной. Индуктивность L (порядка 10^-10Гн) является паразитным параметром, так как ограничивает собственную резонансную частоту ω_о. Для уменьшения L контакты осуществляют мембраной, прижимом массивного электрода и т. п. Величина r_s измеряется десятыми долями Ом и единицами Ом.

Полное сопротивление схемы при данной частоте ω:

                             ,                       (5.4)

             где     R_{i min2}= 1/С.

          Приравнивая к нулю действительную часть полного сопротивления, находим предельную частоту, на которой туннельный диод способен генерировать  колебания:

                            .                                                             (5.5)

Максимальное значение  предельной частоты получается при R_imin=2r_s. Следовательно, частотные свойства туннельного диода определяются постоянной времени r_sС.

Уменьшать емкость С путем уменьшения площади перехода нецелесообразно, так как при этом уменьшается и пиковый ток I₁, что увеличит отрицательное сопротивление, и, следовательно, предельная частота останется без изменения. Таким образом, при уменьшении С ток I₁ должен оставаться неизменным, поэтому качество туннельного диода удобно характеризовать отношением .

Для изготовления туннельных диодов применяются различные полупроводниковые  материалы: германий, кремний, арсенид галлия, фосфат индия, арсенид индия, антимонид индия и антимонид галлия.Выбор материала в значительной степени определяется требуемыми параметнами прибора.  Наиболее перспективным материалом является арсенид галлия, обладающий наилучшими параметрами. Для  германиевых диодов в качестве доноров используют фосфор или мышьяк, а в качестве акцепторов — галлий или алюминий.   Для   арсенид-галлиевых -  олово, свинец, серу, селен, теллур (доноры), цинк, кадмий (акцепторы). Для получения узкого p-n-перехода применяется метод вплавления   или   диффузии   примесей.

Основными   достоинствами туннельного диода являются:

— высокие рабочие    частоты — до 40 ГГц и весьма малое время переключения,   которые   определяются преимущественно конструктивными особенностями, а не временем прохождения электронами р-n перехода, составляющим около 10^-13сек;

— высокая температуростойкость; у арсенид-галлиевых туннельных диодов рабочая температура достигает +600°С, у  германиевых - до +200°С. Возможность работы туннельных диодов при более высоких температурах по сравнению с обычными диодами объясняется тем, что в них используется вырожденный полупроводник с большой концентрацией примесей. При большой концентрации примесей концентрация электронов велика и влияние собственной электропроводности сказывается при более высоких температурах;

— низкий уровень шума;

— большая плотность тока, свойственная туннельному эффекту, достигающая 10^3.10⁴ А/см².

Как недостаток, следует отметить малую мощность туннельных диодов из-за низких рабочих напряжений и малых площадей перехода. Ких недостаткам следует отнести так же то, что они являются двухполюсниками. Поэтому в ряде схем, созданных на туннельных диодах, возникают определенные сложности с разделением цепей входа и выхода. Кроме того, туннельные диоды нуждаются в высокостабильных источниках питающих напряжений.

Для обеспечения возможности работы туннельных диодов на высоких частотах выбирают такие конструктивные формы, которые обеспечивают малые величины r_s и L. Сопротивление r_s понижают уменьшением размеров элементов. У туннельных диодов из германия это сопротивление составляет 0,1¸0,5 Ом, а у диодов из арсенида галлия — 1¸10Ом.

Для образования контакта к кристаллу присоединяют мембранный массивный электрод и ленточный лепесток или припаивают плоскую пластину. При этом индуктивность составляет величину 10^-10 Гн. Тонкая проволока неприемлема, так как подобные выводы имеют индуктивность не меньше, чем 3^.10^-9 Гн.

Германиевые туннельные диоды оформляются в металло-стеклянном корпусе с гибкими выводами, а арсенид-галлиевые туннельные диоды — в металлокерамическом корпусе.

В качестве примера можно привести следующие туннельные диоды:

1И302А —германиевый   диод;  

I₁ = 1,7¸ 2,3 мА;   I₁/I₂== 4,5;    U₁ = 60   мВ;    C = 80   пФ.

3И301А—арсенид-галлиевый диод; 

I₁ = 1,5¸2,4 мА;  I₁/I₂= 8;   U₁ =180 мВ;   U₃ ≥ 0,65 В;  С=12 пф.

Различные конструкции туннельных диодов представлены схематически на рис. 5.5

Рис. 5.5  Конструкции туннельных диодов:

а) патронного типа; б) таблеточного типа: в)  с ленточными выводами;

1— полупроводниковый кристалл; 2 — p-n-переход; 3 — соединительный электрод; 4— корпус; 5, 6—выводы; 7—втулка корпуса; 8 — крышка

 Туннельные диоды используются в схемах генераторов и усилителей диапазона СВЧ, в быстродействующих ключевых и импульсных устройствах, в преобразователях частоты, детекторах, умножителях частоты, в логических устройствах и  других схемах. В табл.5.1 показано применение туннельных диодов в зависимости от величины I₁ :

Таблица 5.1