Туннельный диод - одно из самых удивительных изобретений полупроводниковой электроники. Узнайте подробнее об истории его создания, принципах работы и областях применения.
История открытия туннельного эффекта
В 1920-х годах в СССР физик Олег Лосев обнаружил интересный эффект в диодах из оксида цинка. При определенных условиях ток через p-n переход диода уменьшался с ростом приложенного напряжения. Это явление было названо кристадинным эффектом.
Теоретическое объяснение феномена дал в 1957 году японский физик Лео Эсаки. Он показал, что причиной эффекта является квантово-механическое туннелирование электронов сквозь тонкий потенциальный барьер в области p-n перехода диода.
В том же году Эсаки впервые создал диод, в котором наблюдался эффект туннелирования. Это был туннельный диод на основе германия с очень тонким (около 10 нм) переходом между областями p и n.
Кто такой Лео Эсаки - создатель туннельного диода
Лео Эсаки родился в 1925 году в японском городе Осака. Окончил Токийский университет, после чего работал в лабораториях известных физиков Хидэки Юкавы и Шиничиро Томонаги.
В 1952 году Эсаки пришел в компанию Sony (тогда называвшуюся Tokyo Tsushin Kogyo) и возглавил в ней работы по созданию полупроводниковых приборов. Именно там он впервые получил туннельный диод.
За это открытие в 1973 году Лео Эсаки был удостоен Нобелевской премии по физике совместно с Брайаном Джозефсоном.
Принцип работы туннельного диода
Туннельный диод отличается от обычного наличием очень тонкого (около 10 нм) и сильнолегированного p-n перехода. Благодаря этому напряжение пробоя снижается практически до нуля.
При подаче прямого напряжения происходит квантово-механическое туннелирование электронов сквозь узкий потенциальный барьер, и ток резко возрастает. Однако при дальнейшем повышении напряжения туннелирование подавляется из-за рассогласования энергетических уровней, и ток падает. Это приводит к появлению области с отрицательным дифференциальным сопротивлением на вольт-амперной характеристике диода.
Применение туннельных диодов
Уникальные свойства туннельных диодов позволяют использовать их в различных областях радиоэлектроники:
- Генераторы и усилители СВЧ-диапазона
- Быстродействующие переключатели
- Преобразователи частоты
- Детекторы и счетчики импульсов
- Передатчики и приемники микроволнового диапазона
Они позволяют создавать устройства, работающие на частотах в десятки гигагерц, недоступных для обычных полупроводниковых приборов.
Например, в 1977 году туннельные диоды были использованы в приемниках спутника Intelsat V для работы в диапазоне 14-15,5 ГГц.
Преимущества и недостатки туннельных диодов
К достоинствам туннельных диодов можно отнести:
- Высокую скорость переключения
- Низкий уровень шумов
- Компактные размеры
- Стойкость к радиации
Однако у них есть и недостатки:
- Невысокая выходная мощность
- Нестабильность параметров со временем
- Уязвимость к перегреву
Поэтому во многих областях туннельные диоды были вытеснены более современными полупроводниковыми приборами, такими как полевые транзисторы и диоды Ганна.
Сравнение с другими полупроводниковыми приборами
В отличие от обычных и стабилитронов, туннельные диоды обладают проводимостью в обоих направлениях. Это обусловлено особым механизмом туннелирования носителей через p-n переход.
По сравнению с трехвыводными приборами вроде полевых транзисторов, туннельные диоды менее универсальны. Но они превосходят транзисторы по быстродействию на сверхвысоких частотах.
Аналогичные высокочастотные свойства демонстрирует диод Ганна. Однако он более мощный и может выдерживать бо́льшие токи.
Перспективы применения туннельных диодов
Несмотря на конкуренцию с другими полупроводниковыми приборами, туннельные диоды не потеряли актуальности. Они по-прежнему востребованы в высокоскоростных устройствах, таких как:
- Передатчики для спутниковой связи
- Приемники СВЧ-диапазона
- Генераторы для радиолокации
Кроме того, ведутся работы по созданию новых типов туннельных диодов с улучшенными характеристиками. Например, резонансно-туннельные диоды демонстрируют рекордные частоты генерации среди полупроводников.
В будущем туннелирование может найти применение в квантовых компьютерах и других перспективных технологиях.
Устройство туннельного диода
Рассмотрим подробнее внутреннее устройство туннельного диода. Как уже упоминалось, его отличительной особенностью является очень тонкий, порядка 10 нм, переход между p- и n-областями. Этот переход создается сильным легированием полупроводника примесями.
В качестве материала для туннельных диодов чаще всего используется германий либо арсенид галлия. Вводят такие примеси, как мышьяк, фосфор, галлий, алюминий. Их высокая концентрация приводит к нарушению запрещенной зоны полупроводника.
Благодаря этому электроны могут туннелировать сквозь узкий потенциальный барьер, что и определяет уникальные свойства туннельного диода.
Особенности вольт-амперной характеристики
Рассмотрим более подробно вольт-амперную характеристику туннельного диода и ее особенности.
При малых прямых напряжениях наблюдается резкий рост тока за счет туннелирования электронов. Затем ток достигает максимума, а дальнейшее увеличение напряжения, наоборот, приводит к уменьшению тока. Этот участок и называется областью с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
При еще большем напряжении включается обычный механизм проводимости через p-n переход, и ток снова начинает расти. Так выглядит характерная форма вольт-амперной кривой туннельного диода.
Создатель туннельного диода Лео Эсаки
Еще раз вспомним о Лео Эсаки - японском физике, который впервые создал туннельный диод в 1957 году и стал лауреатом Нобелевской премии.
Эсаки родился в 1925 году, учился в Токийском университете, после чего работал с такими выдающимися японскими физиками, как Хидэки Юкава и Синъитиро Томонага.
В 1952 году создатель туннельного диода Лео Эсаки пришел в компанию Sony, где и совершил свое эпохальное открытие.
Применение туннельных диодов в СВЧ-технике
Особенности туннельных диодов делают их незаменимыми в СВЧ-электронике. Рассмотрим некоторые примеры их использования в этой области.
Туннельные диоды широко применяются в генераторах и усилителях СВЧ-диапазона. Они позволяют получать колебания с частотой до 100 ГГц, недоступной для транзисторов.
Из туннельных диодов собирают смесители и преобразователи частоты для СВЧ-приемников. Благодаря высокому быстродействию, они обеспечивают точную настройку в широком диапазоне частот.
Еще одно важное применение - входные СВЧ-усилители. Туннельные диоды обладают рекордно низким уровнем собственных шумов, что критично для усилителей.
Схемы включения туннельного диода
Рассмотрим типовые схемы включения туннельного диода для использования его уникальных свойств.
Для создания генератора туннельный диод включают в цепь с индуктивностью или емкостью. За счет отрицательного дифференциального сопротивления возникают незатухающие колебания СВЧ-диапазона.
В качестве СВЧ-усилителя туннельный диод используется в схеме с резистивной нагрузкой. Малые шумы диода позволяют усиливать минимальные сигналы.
Для цифровых применений применяют триггеры на туннельных диодах. Их можно переключать значительно быстрее, чем транзисторные триггеры.
