И.П. Жеребцов - Основы электроники (1115520), страница 40

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 40)

Чтобы получить линейное нарастание напряжения, надо сделать ток заряда конденсатора постоянным. Для этого вместо резисторд Гт можно включить транзистор по схеме с общей базой, а тогда, как известно, при изменении напряжения и„.е ток коллектора почти не изменяется. Представляет интерес применение триодных тиристоров в генераторах синусондальных колебаний. В таких генераторах тиристор работает как ключ и подключает с нужной частотой источник питания к колебательному контуру. Поэтому колебаниа в этом контуре становятся незатухающими, а сам тиристор управляется напряжением от колебательного контура. Тиристорные генераторы обладают высоким КПД, так как в самом тиристоре потери незначительны.

Но вследствие инерционности процессов включения и особенно выклю- 128 чения тиристора подобные генераторы могут работать только на сравнительно низких частотах, Поскольку тнристоры выпускаются на большие токи, то тиристорные генераторы можно построить на значительно ббльшие мощности, нежели генераторы с транзисторами.

Помимо рассмотренных существуют еще диодные и триодные тиристоры, проводящие в обратном направлении. Структура их такова, что с злектродамн тиристора имеют контакт не только крайние змиттерные области, но и средние базовые. Поэтому при подаче обратного напряжения между электролами действует только одно прямое напряжение среднего перехода, т,е. тиристор будет в открытом состоянии. 8.2. ТУННЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ Предложенный в 1958 г.

японским ученым Л. Есаки туннельный диод изготовляется из германия или арсенида галлия с высокой концентрацией примесей (10' — 10зо см ), т. е. с очень малым удельным сопротивлением, в сотни нли тысячи раз меньшим, чем в обычных диодах. Такие полупроводники с малым сопротивлением называют вырожденными. Электронно-дырочный переход в вырожденном полупроводнике получается в десятки раз тоньше (10 ' см), чем в обычных диодах, а потенциальный барьер примерно в два раза выше. В обычных полупроводниковых диодах высота потенциального барьера равна примерно половине ширины запрещенной зоны, а в туннельных диодах она несколько больше этой ширины. Вследствие малой толщины перехода напряженность поля в нем даже при отсут- стени внешнего напряжения достигает 10в В/см. В туннельном диоде, как и в обычном, происходит диффузионное перемещение носителей через электронио-дырочный переход и обратный их дрейф под действием поля.

Но кроме этих процессов основную роль играет туннелъкый эффекиь Он состоит в том, что согласно законам квантовой физики при достаточно малой высоте потенциального барьера возможно проникновение электронов через барьер без изменения их энергии. Такой туннельный переход электронов с энергией, меньшей высоты потенциального барьера (в электрон-вольтах), совершается в обоих направлениях, но только при условии, что по другую сторону барьера для туннелирующих электронов имеются свободные уровни энергии. Подобный эффект невозможен с точки зрения классической физики (в которой электрон рассматривается как частица материи с отрицательным зарядом), но оказывается вполне реальным в явлениях микромира, подчиняющихся законам квантовой механики, согласно которым электрон имеет двойственную природу; с одной стороны, он является частицей, а с другой стороны, он может проявлять себя как электромагнитная волна.

Но электромагнитная волна может проходить через потенциальный барьер, т. е. через область электрического поля, не взаимодействуя с этим полем. Процессы в туннельном диоде удобно рассматривать на энергетических диаграммах, показывающих уровни энергии валентной зоны и зоны проводимости в и- и р-областях. Вследствие возникновения контактной разности потенциалов в и — р-переходе границы всех зон в одной из областей сдвинуты относительно соответствующих зон другой области на высоту потеэщиального барьера, выраженную в электрон-вольтах.

На рис. 8.10 с помощью энергетических диаграмм изображено возникновение туннельных токов в электроннодырочном переходе туннельного диода. Для того чтобы не усложнять рассмотрение туннельного эффекта, диффузион- 5 и. и. жсревиов ный ток и ток проводимости на этом рисунке не показаны. Диаграмма на рис. 8.10, а соответствует отсутствию внешнего напряжения. Высота потенциального барьера взята для примера 0,8 эВ, а ширина запрещенной зоны составляет 0,6 эВ.

Горизонтальными линиями в зоне проводимости и в валентной зоне показаны энергетические уровни, полностью или частично занятые электронами. В валентной зоне и зоне проводимости изображены также не заштрихованные горизонтальными линиями участки, которые соответствуют уровням энергии, не занятым электронами. Как видно, в зоне проволимости полупроводника и-тнпа и в валентной зоне полупроводника р-типа имеются занятые электрпнами уровни, которым соответствуют одинаковые энергии. Поэтому возможен туннельный переход электронов из области п в область р (прямой туннельный ток 1„р) и из области р в область и 1обратный туннельный ток 1,вр).

Эти два тока одинаковы по значению, и результирующий ток равен нулю. На рис. 8.10, б показана диаграмма при прямом напряжении 0,1 В, за счет которого потенциальный барьер понизился на 0,1 эВ и составляет 0,7 эВ. В этом случае туннельный переход электронов из области л в область р усиливается, так как в' области р имеются в валентной зоне свободные уровни с такими же энергиями, как энергии уровней, занятых электронами в зоне проводимости области я. А переход электроно5) из валентной зоны области р в область и невозможен, так как уровни, занятые электронами в валентиой зоне области р, соответствуют в области и энергетическим уровням запрещенной зоны. Обратный туннельный ток отсутствует, и результирующий ток достигает максимума.

В промежуточных случаях„например когда и„р — — 0,05 В, существует и прямой и обратный туннельный ток, но обратный ток меньше прямого. Результирующим будет прямой ток, но он меньше максимального, получающегося при и, = 0,1 В. Случай, показанный на рис. 8.10, в, соответствует а„р — — 0,2 В, когда высота 129 с) и„с=0,/0 а) .. 3 с.> и ирр-Огд и Рлс.

8.10. Энергетические диаграммы п — р-перехода в туннсльнсм диоде лри различном при- ложенном напряжении Я, = Ли/Л( < О. (8.3) 130 потенциального барьера стала 0,6 эВ. При этом напряжении туннельный переход невозможен, так как уровням, занятым электронами в данной области, соответствуют в другой области энергетические уровни, находящиеся в запрещенной зоне. Туннельный ток равен нулю.

Он отсутствует также и нри большем прямом напряжении. Следует помнить, что при возрастании прямого напряжения увеличивается прямой диффузионный ток диода. При рассмотренных значениях и,р < 0,2 В диффузионный ток гораздо меньше туннельного тока, а при и„р > 0,2 В диффузионный ток возрастает и достигает значений, характерных для прямого тока обычного диода.

На рис. 8.10, г рассмотрен случай, когда обратное напряжение и,ср = 0,2 В. Высота потенциального барьера стала 1 эВ, и значительно увеличилось число уровней, занятых электронами в валент- ной зоне р-области и соответствующих свободным уровням в зоне проводимости и-области. Поэтому резко возрастает обратный туннельный ток, который получается такого же порядка, как и ток при прямом напряжении. Вольт-амперная характеристика туннельного диода (рис.

8.11) поясняет рассмотренные диаграммы. Как видно, при и = 0 ток равен нулю. Увеличение прямого напряжения до 0,1 В дает возрастание прямо~о туннельного тока до максимума (точка А). Дальнейшее 'увеличение прямого напряжения до 0,2 В сопровождается уменьшением туннельного тока. Поэтому в точке Б получается минимум тока и характеристика имеет падающий учасгпок АБ, для которого характерно отрицательное сопротивление переменному току Ряс.

8.! !. Вольт-ампсрная характеристика туннельного диода После этого участка ток снова возрастает за счет диффузионного прямого тока, характеристика которого на рис. 8.11 показана штриховой линией. Обратный ток получается такой же, как прямой, т.е.

во много раз больше, нежели у обычных диодов. Основные параметры туннельных диодов — ток максимума 1, ток минимума 1;„(часто указывается отношение 1 „„/1 и, которое бывает равно нескодьким единицам), напряжение максимума Би напряжение минимума 1!ь наибольшее напряжение У„соответствующее току 1,„на втором восходящем участке характеристики (участок БВ). РазностыИ) = Уз — У, называется напряжением переключения нли напряжением скачка. Токи в современных туннельных диодах составляют единицы миллиампер, напряжения — десятые доли вольта. К параметрам также относится отрицательное дифференциальное сопротивление диода (обычно несколько десятков ом), общая емкость диода (единицы или десятки пикофарад), время переключения (дади наносекунды) и максимальная, или критическая, частота (сотни гигагерц). Включая туннельный диод в различные схемы, можно его отрицательным сопротивлением компенсировать положительное активное сопротивление (если рабочая точка будет находиться на участке АБ) и получать режим усиления или генерации колебаний.

Например, в обычном колебательном контуре за счет потерь всегда имеется затухание. Но с помощью отрицательного сопротивления туннельного диода можно уничтожить потери в контуре и получить в нем незатухающие колебания. Простейшая схема генератора колебаний с туннельным диодом показана на рис. 8.12. Работу такого генератора можно объяснить следующим образом.

При включении питания в контуре ЬС возникают свободные колебания. Без туннельного диода они затухли бы. Пусть напряжение Е выбрано таким, чтобы диод работал на падающем участке характеристики, и пусть во время одного полупериода переменное напряжение контура имеет полярность, показанную на рисунке знаками «+» и « — » без кружков (знаки «+» и « — » в кружках относятся к постоянным напряжениям). Напряжение от контура подается на диод и является ддя него обратным. Поэтому прямое напряжение на диоде уменьшается.

Характеристики

Список файлов книги