85.234.1.39: /* «Генерирующий детектор» */

2025-02-06T11:28:55Z

«Генерирующий детектор»

Новая страница

[[Файл:Tunnel diode symbol ru.svg|250px|thumb|Обозначение на схемах]]
[[Файл:VI curve of a tunnel diode.svg|thumb|250px|Вольт-амперная характеристика (ВАХ) туннельного диода. В диапазоне напряжений {{math|''U''1 − ''U''2}} дифференциальное сопротивление отрицательно]]
'''Тунне́льный дио́д''' или '''диод Эсаки''' (изобретён [[Эсаки, Лео|Лео Эсаки]] в 1957 году) — [[полупроводник]]овый [[диод]] на основе [[Вырожденный полупроводник|вырожденного полупроводника]], на [[Вольт-амперная характеристика|вольт-амперной характеристике]] которого при приложении напряжения в прямом направлении имеется участок с [[Отрицательное дифференциальное сопротивление|отрицательным дифференциальным сопротивлением]], обусловленный [[туннельный эффект|туннельным эффектом]].

== Устройство ==
Туннельный диод представляет собой [[p-n-переход]], обе области в котором имеют предельно сильное, до [[вырожденный полупроводник|вырождения]], [[Легирование (полупроводники)|легирование]] — концентрации [[донор (физика)|доноров]] <math>N_D</math> в n-области и [[акцептор (физика)|акцепторов]] <math>N_A</math> в p-области могут превышать 1019 см−3. В качестве полупроводникового материала используются кремний, германий, соединения типа AIIIBV. Прибор имеет два вывода, которые подключаются к общей [[электрическая цепь|цепи]] тем или иным способом.

== Принцип функционирования ==
[[Файл:Band_diagram_tunnel_diode_working_bias.png|250px|thumb|Зонная диаграмма туннельного диода на базе p-n-перехода с сильнолегированными областями в условиях туннелирования электронов (помечено стрелкой)]]
[[File:Caratteristica tensione - corrente di un diodo Tunnel-ru.svg|250px|thumb|Туннельный и диффузионный токи туннельного диода]]
Обычные диоды при увеличении прямого напряжения [[Монотонная функция|монотонно]] увеличивают пропускаемый ток. В туннельном диоде [[Туннельный эффект|квантовомеханическое туннелирование]] электронов обеспечивает особенность вольт-амперной характеристики: резкий подъём, а затем спад пропускаемого тока при увеличении прямого («+» на {{math|''p''-}}области) напряжения.

Из-за высокой степени легирования {{math|''p''-}} и {{math|''n''-}} областей yровни Ферми <math>E_{Fp},</math> <math>E_{Fn}</math> лежат внутри разрешённых зон: <math>E_{vp} > E_{Fp}</math> и <math>E_{Fn} > E_{cn}.</math> На участке напряжений от нуля до <math>(E_{vp}-E_{Fp})/q + (E_{Fn}-E_{cn})/q</math> (здесь <math>q</math> — элементарный заряд) зона проводимости {{math|''n''-}}области энергетически перекрывается с валентной зоной {{math|''р''-}}области<ref>{{БСЭ3|статья=Туннельный диод|автор=Эсаки Л.|том=26|страницы=316}}</ref>, то есть оказывается, что <math>E_{vp} > E_{cn}.</math> При таких напряжениях туннельный эффект позволяет электронам преодолеть [[энергетический барьер]] в области перехода с шириной {{nobr|50—150 Å}}, причём вклад в ток дают, в основном, энергии из пересечения диапазонов <math>E_{cn}\ldots E_{vp}</math> и <math>E_{Fp}\ldots E_{Fn}</math> (большинство состояний в диапазоне <math>E_{Fp}\ldots E_{Fn}</math> на одной стороне барьера заполнены электронами, а на другой пусты, что и создаёт условия для переноса электронов). При дальнейшем увеличении прямого напряжения получается <math>E_{vp} < E_{cn}</math> и, поскольку энергия электрона при туннелировании должна сохраняться<ref>{{БСЭ3|статья=Туннельный эффект|автор=Киржниц Д. А.|том=26|страницы=316—317}}</ref>, оно становится невозможным — происходит уменьшение тока.

Образующаяся область [[Отрицательное дифференциальное сопротивление|отрицательного дифференциального сопротивления]], где увеличение напряжения сопровождается уменьшением силы тока, используется для усиления слабых [[Микроволновое излучение|сверхвысокочастотных]] сигналов.

Параллельно с туннелированием электронов происходит их заброс по зоне проводимости из {{math|''n''-}}области в {{math|''р''-}}область. Этот процесс, как и в обычном диоде, монотонно усиливается с ростом прямого напряжения и обеспечивает второе поповышение силы тока после спада (см. рисунок).

== История изобретения ==

=== «Генерирующий детектор» ===
Впервые «генерирующий детектор» — диод, образованный контактом металла с полупроводником и имеющий отрицательное дифференциальное сопротивление — был продемонстрирован британским физиком [[Экклз, Уильям|Уильямом Экклзом]] в 1910 году, но в то время не вызвал интереса<ref name="ftt">{{статья|автор=Новиков М. А.|заглавие=Олег Владимирович Лосев — пионер полупроводниковой электроники (К столетию со дня рождения) |издание=Физика твёрдого тела|год=2004|том=46|выпуск=1|страницы=5—9|ссылка= |doi=|arxiv=|язык=|archiveurl=https://web.archive.org/web/20120219175444/http://journals.ioffe.ru/ftt/2004/01/p5-9.pdf|archivedate=2012-02-19}}</ref>.

В начале 1920-х годов советский радиолюбитель, физик и изобретатель [[Лосев, Олег Владимирович|Олег Лосев]] независимо от Экклза обнаружил эффект отрицательного дифференциального сопротивления в диодах из кристаллического [[Оксид цинка|оксида цинка]]. Этот эффект получил название «[[Кристадинный эффект|кристадинный]]» и использовался для генерации и усиления электрических колебаний в радиоприёмниках и передатчиках, но вскоре был вытеснен из практической радиотехники [[Электровакуумный прибор|электровакуумными приборами]]. Механизм возникновения кристадинного эффекта неясен. Многие специалисты предполагают, что он вызван [[Туннельный эффект|туннельным эффектом]] в полупроводнике, но прямых экспериментальных подтверждений этого (по состоянию на 2004 год) получено не было. Существуют и другие физические явления, способные послужить причиной кристадинного эффекта<ref name="ftt" />. При этом кристадин и туннельный диод — это разные устройства, и отрицательное дифференциальное сопротивление у них проявляется на разных участках вольт-амперной характеристики{{Нет АИ|30|09|2019}}.

=== Туннельный диод ===
Впервые туннельный диод был изготовлен на основе [[Германий|германия]] в [[1957 год]]у [[Лео Эсаки]], который в [[1973 год]]у получил [[Нобелевская премия|Нобелевскую премию]] по физике за экспериментальное обнаружение эффекта туннелирования электронов в этих диодах.

== Применение ==
[[Файл:GE 1N3716 tunnel diode.jpg|thumb|Туннельный диод 1N3716 (рядом для масштаба [[джампер]])]]
Наибольшее распространение на практике получили туннельные диоды из [[Германий|Ge]], [[Арсенид галлия|GaAs]], а также из [[GaSb]]. Эти диоды широко применяются в качестве предварительных усилителей, [[Генератор сигналов|генераторов]] и высокочастотных переключателей. Они работают на частотах, во много раз превышающих частоты работы [[тетрод]]ов — до {{nobr|30…100 ГГц}}.

== См. также ==
* [[Обращённый диод]]
* [[Туннельный эффект]]

== Примечания ==
{{примечания}}

== Литература ==
* {{Статья|ссылка=https://www.rlocman.ru/i/File/2007/02/07/elkin.pdf|ref=Елкин|автор=Елкин С. А.|заглавие=Туннельный диод: оценка, отбор и практическое применение|год=2006|язык=ru|издание=Радиоаматор|тип=журнал|номер=4|страницы=26—29}}
* ''Лебедев А. И.'' Физика полупроводниковых приборов. Физматлит, 2008.
* {{Книга|ref=Поляков|автор=Поляков Александр Михайлович|заглавие=Разгаданный полупроводник|год=1981|часть=§ 27. Туннельные диоды|место=М.|издательство=Просвещение|страницы=137—145|страниц=160|серия=Мир знаний}}

== Ссылки ==
* [http://www.club155.ru/diods-tunnel/ Туннельные и обращенные диоды]

{{Полупроводниковые диоды}}

[[Категория:Полупроводниковые диоды]]
[[Категория:Генераторные диоды]]
[[Категория:Изобретения Японии]]

Туннельный диод - История изменений

85.234.1.39: /* «Генерирующий детектор» */