С ЧЕМ "ЕДЯТ" ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД
В.ЩЕРБАТЮК, Б.ЛИСЕНКОВ, г.Минск.
Туннельные диоды - это "экзотические" полупроводниковые приборы, про которые многие начинающие радиолюбители даже не слышали. Они по целому ряду причин не нашли широкого применения в радиоэлектронной аппаратуре, но, тем не менее, их использование в некоторых устройствах может оказаться весьма полезным. Для того чтобы знать, чего можно "потребовать" от этого диода, желательно хотя бы приблизительно представлять, как и откуда в нем все эти "туннельные чудеса"берутся.
Началось все это еще в прошлом веке, в 1928 году, когда Гейзенберг "придумал"принцип неопределенности. Смысл его заключается в том, что невозможно одновременно точно определить местонахождение частицы (например, электрона) и ее импульс (тот же импульс, который проходили в школе "под именем" mv, в квантовой механике обозначается буквой р). А выглядит это соотношение совсем не страшно и может быть записано следующим образом:
где Dр - погрешность определения импульса;
Dх - погрешность определения положения (координаты).
Справа в этом неравенстве стоит невообразимо маленькое число - постоянная Планка h. Это очень приблизительно равно 6,6*10-34 Дж-с.
Теперь, для того чтобы хотя бы смутно понять, что означает в микромире этот самый принцип неопределенности Гейзенберга, придется мысленно совершить невообразимое кощунство. Предположим, что правая часть неравенства (1) равна, ну хотя бы, единице. Тогда, если бы это было так, то очень даже запросто могло бы получиться, что купленный вами 1 кг колбасы, будучи положенным в вашей кухне на стол (зафиксируем погрешность импульса колбасы Др с точностью 5% или 0,05), может быть съеден соседом (обратите внимание!) у себя на кухне. Ведь в нашем воображаемом случае колбаса может оказаться где угодно в пределах Дх, которое в данном случае окажется равно
Причем наличие стены между кухнями для колбасы совершенно несущественно. Конечно, это все-таки очень абстрактный пример, но приблизительное толкование принципа неопределенности дает (хозяин не знает, где "бродит" колбаса).
В туннельных диодах, изготовленных из полупроводников с высокой степенью легирования (вырожденных полупроводников), запорный слой настолько тонок (=5 нанометров, т.е. 5*10-9 м), что электроны при определенном напряжении "просачиваются" на другую сторону запорного слоя (как в приведенном примере ваша колбаса - за стену, на кухню к соседу). Это и называется "туннельным эффектом".
На рис.1 показаны вольтамперные характеристики обычного (а) и туннельного (б) диодов. Обычный диод, надеюсь, всем известен, и поэтому разбираться с ним не будем.
Рис. 1
В данный момент нас больше интересует именно туннельный диод. Вольтамперная характеристика его весьма специфична. Конечно, с его помощью можно чего-нибудь и выпрямить, но "изюминку" представляет то место его вольтамперной характеристики, где имеется участок с так называемым "отрицательным сопротивлением" (зона Д1) на рис.1б). Этот "падающий" участок (напряжение растет, а ток уменьшается), находящийся в начале прямой ветви вольтамперной характеристики туннельного диода, прямо скажем, совсем небольшой. Поэтому у туннельного диода небольшие рабочее напряжение, ток и, соответственно, мощность.
Обычное "положительное" сопротивление, включенное в цепь сигнала, ослабляет этот сигнал. Графически (рис.1 а) получается, что с ростом напряжения растет ток, а сопротивление является коэффициентом пропорциональности между ними (как говорит закон Ома - I=U/R). Ну а если сопротивление отрицательное, то после порогового напряжения Uo с ростом напряжения ток начнет уменьшаться (рис.1б)!
В зоне отрицательного сопротивления состояние туннельного диода является неустойчивым. Обычно рабочая точка"перескакивает" через зону отрицательного сопротивления и устанавливается на следующем участке вольтамперной характеристики с "нормальным" сопротивлением.
Рис.2
Эти "неординарные" качества туннельного диода позволяют использовать его в самых различных устройствах. На одном туннельном диоде можно сделать даже супергетеродинный приемник, правда, в этом случае лучше не говорить о его характеристиках. Широкому использованию этого прибора мешает его малая мощность и не совсем удобные выходные напряжения (трудно согласовать с цифровыми микросхемами).
Тем не менее, на туннельном диоде можно делать достаточно простые устройства, обладающие рядом интересных свойств. Типовая схема включения туннельного диода показана на рис.2. Вольтамперная характеристика туннельного диода в виде, более удобном для детального рассмотрения, показана на рис.3. Здесь же показаны возможные нагрузочные характеристики, определяемые величиной R (прямые 1 и 2) для использования "туннельника" в триггерных режимах работы. Эти режимы отличаются порогами переключения (U1 и U2). В точках А и Б - устойчивые состояния рабочей точки.
Рис.3
Это позволяет создать генератор на "длинной" линии, активный элемент которого (туннельный диод) работает в триггерном режиме. Схема одного из вариантов такого генератора приведена на рис.4. Он построен на элементе очень быстродействующей эммитерно-связанной логики (ЭСЛ). С помощью резистора R1 выбирают режим работы туннельного диода VD1, Длинной линией L1 служит отрезок коаксиального (например, телевизионного) кабеля, на конце которого центральная жила соединяется с оплеткой. Частота генерируемых колебаний определяется длиной линии L1. Диод VD2 - кремниевый, например, КД522А, и предназначен для смещения напряжения на выходе генератора в область входных напряжений микросхемы ЭСЛ. Для уменьшения сопротивления переменному току, параллельно диоду можно включить керамический конденсатор небольшой емкости. Туннельный диод должен быть арсенид-галлиевым, например, ЗА201А.
Генератор работает следующим образом. При переключении туннельного диода, от него по линии L1 распространяется импульс в направлении закороченного конца. Отразившись там в противофазе и вернувшись к диоду, импульс переключает его и тем самым посылает в линию следующий импульс. Каждый пришедший импульс переключает триггер на диоде в противоположное состояние. Таким образом, на аноде туннельного диода VD1 возникает переменное напряжение прямоугольной формы с частотой
F=1/4t
где t - время прохождения импульсом линии L1.
Следует отметить, что стабильность частоты определяется стабильностью параметров линии.
Генератор самостоятельно не начинает работать после включения питания и требует внешнего запуска. Запустить генератор можно, касаясь пинцетом анода туннельного диода. Такой запуск годится только для наладки. Но эта схема приведена для пояснения принципа работы генератора на туннельном диоде.
Другой вариант схемы приведен на рис.5. Отличается он отсутствием емкости, включенной между линией L1 и диодом, а также закорачивающей перемычки на конце линии. Это устройство обладает одним интересным свойством. Изменение импеданса линии на открытом конце приводит к изменению частоты генерируемых колебаний. Фактически этот генератор может служить датчиком для самых различных устройств. Например, если сделать линию L1 участком трубопровода, то, дополнив такой генератор некоторыми элементами, можно будет по изменению частоты судить о качестве протекающих по трубопроводу нефтепродуктов. Открытый конец линии (кабеля) чувствителен к приближению к нему каких-либо предметов, что делает его пригодным для использования в качестве датчика перемещения или индикатора появления объекта в охранных системах.
РМ 12/2001, с.34-35.