Параметры туннельного диода
При увеличении напряжения в прямом направлении от 0 до U1 и от U2 до U3 ток через туннельный диод увеличивается. Это указывает на то, что дифференциальная проводимость (наклон касательной в каждой точке характеристики) диода является величиной положительной, т. е. на этих участках туннельный диод ведет себя, как обычное нелинейное сопротивление, не проявляя никаких усилительных свойств.
В интервале же напряжений от U1 до U2 вольт-амперная характеристика имеет падающий участок. С ростом напряжения ток падает, что указывает на наличие отрицательного дифференциального сопротивления. Этот участок характеристики и является наиболее ценным при использовании туннельного диода в радиотехнических схемах.
Дифференциальное сопротивление определяется как отношение приращения напряжения к приращению тока. Если с ростом напряжения (положительное приращение) наблюдается уменьшение тока (отрицательное приращение), то сопротивление между данными точками схемы или прибора, равное отношению этих приращений, будет отрицательным. Уменьшение напряжения с ростом тока и, наоборот, уменьшение тока с ростом напряжения эквивалентно сдвигу фазы между указанными величинами на 180°. Поэтому переменные составляющие тока и напряжения направлены в отрицательном сопротивлении навстречу друг другу. Следовательно, мощность переменного сигнала, равная произведению тока на напряжение, будет иметь отрицательный знак. Это показывает, что отрицательное сопротивление не потребляет мощности переменного сигнала, а отдает ее во внешнюю цепь. Поскольку падающий участок характеристики всегда ограничен по току и напряжению, то любой прибор, обладающий отрицательным сопротивлением, может отдавать во внешнюю цепь только ограниченную мощность.
С помощью отрицательного сопротивления можно скомпенсировать потери, вносимые в схему положительным сопротивлением, и, таким образом, в зависимости от поставленной задачи осуществить схему усилителя, генератора или преобразователя электрических колебаний.
В радиотехнике понятие отрицательного сопротивления известно давно. Вольт-амперные характеристики с падающим участком наблюдаются при динатронно,м и транзитронном эффектах в многоэлектродных лампах. В литературе неоднократно давалось описание конкретных схем, в которых указанные явления были использованы для создания генераторов незатухающих колебаний.
Принцип действия таких генераторов очень прост. Для того чтобы возбудить незатухающие колебания в колебательном контуре, образованном из емкости С, индуктивности L и сопротивления r (рис. 1), необходимо скомпенсировать в нем все активные потери, которые складываются из потерь в емкости, индуктивности и сопротивлении проводов (на рис. 1 все эти потери сосредоточены в одном сопротивлении r). Наиболее просто скомпенсировать эти потери, включив, как показано на рис. 1,а, последовательно в цепь отрицательное сопротивление, равное по абсолютной величине сопротивлению г, т. е. |R|=r.
Рис. 1. Подключение отрицательного сопротивления к колебательному контуру, а — последовательный контур; б — параллельный контур.
Чтобы выполнить ту же задачу в случае параллельного контура, представленного на рис. 1,б, необходимо подключить к его зажимам отрицательное сопротивление, равное по абсолютной величине некоторому эквивалентному сопротивлению параллельного контура Rэкв.
Как известно, на резонансной частоте Rэкв=rQ2, где Q — добротность контура. Заменив в этом выражении Q на√L/C/r, получим Rэкв=L/rC
Последнее выражение хорошо известно в радиотехнике и является не чем иным, как резонансным сопротивлением параллельного контура. Таким образом, для возбуждения незатухающих колебаний в параллельном колебательном контуре к нему достаточно подключить отрицательное сопротивление, равное его резонансному сопротивлению Rэкв, т. е.
Посмотрим, каким должно быть это сопротивление для контура, используемого, например, в каскадах промежуточной частоты f=460 кгц. Обычно такие контуры имеют добротность Q порядка 50, индуктивность L=1 мгн и емкость С=100 пф. Тогда √L/CQ==150 ком. Таким образом, если мы хотим возбудить колебания в этом контуре, то наклон падающего участка характеристики в рабочей точке у используемого нами туннельного диода должен соответствовать 150 ком.
Рассмотрим теперь другой пример. Пусть контур имеет следующие параметры: L=10 мкгн, С=10 мкф и r=1 ом. Ясно, что контур, обладающий такими параметрами, является очень плохим, так как его добротность Q=√L/C/r=l. Чтобы возбудить в нем незатухающие колебания, активный элемент схемы, будь то лампа, транзистор или туннельный диод, должен «вложить» в него очень много энергии, чтобы скомпенсировать потери. Согласно формуле (1) к этому контуру необходимо подключить отрицательное сопротивление в 1 ом. Переходя к более привычному для радиоспециалистов понятию, это означает, что крутизна в рабочей точке на падающем участке характеристики должна быть равна S=1/|R|=1000 ма/в. Такой крутизной не обладают даже транзисторы, не говоря уже о лампах. Но изготовить туннельный диод с такой крутизной не составляет особого труда.
Действительно, для возбуждения довольно хорошего контура промежуточной частоты, использованного в первом примере, требуется элемент с отрицательным сопротивлением в 150 ком, т. е. крутизной порядка 0,01 ма/в. Такие контуры без всякого труда возбуждаются в схемах с электронными лампами.
Для возбуждения же плохого контура с добротностью Q=1 необходимо иметь отрицательное сопротивление в 1 ом. Понятно, что с помощью такого элемента можно без труда «заставить» генерировать любой контур, обладающий более высокой добротностью. Поэтому условие (1) правильнее записать в форме следующего неравенства:
Чем сильнее выполняется последнее неравенство, тем больше амплитуда и, следовательно, больше гармоник. Это связано с тем, что колебания начинают «захватывать» участки характеристики с большей нелинейностью (рис. 2). В предельном случае, когда |R|≤Rэкв, колебания будут близки к прямоугольным. Такое явление имеет место и в ламповых генераторах, когда мы увеличиваем положительную обратную связь между контуром в цепи сетки и цепью анода. При этом увеличивается «подкачка» энергии в контур, что равноценно уменьшению некоторого эквивалентного отрицательного сопротивления, подключаемого параллельно контуру.
Отрицательное дифференциальное сопротивление является важным параметром туннельного диода.
Поскольку на падающем участке вольт-амперная характеристика сильно нелинейна, величина этого сопротивления может изменяться в широких пределах. Наиболее линейным является участок, расположенный в районе точки перегиба характеристики, соответствующей напряжению U0 на рис. 2. В этой точке дифференциальное сопротивление минимально. У туннельных диодов значение этого сопротивления (R0) может быть сделано от сотых долей ома до сотен ом. Напряжение U0 для германиевых диодов обычно лежит в интервале 60—100 мв. Ток Iмакс в зависимости от назначения диода может колебаться от сотен микроампер до сотен миллиампер. Не представляет особого труда изготовить диод и с током Iмакс в несколько ампер, но в этом случае его частотные свойства будут заметно хуже.
Рис. 2. Искажение формы тока при различных амплитудах напряжения на туннельном диоде.
Другим важным параметром туннельного диода является отношение Iмакс/Iмин. У германиевых диодов, например, это отношение обычно составляет 5—10. Напряжение U1≈50-80 мв, a U2≈250-350 мв.
Мы уже упоминали, что такие параметры, как емкость р-n-перехода и сопротивление потерь, играют определяющую роль при оценке частотных свойств туннельных диодов. На рис. 3 показана простейшая эквивалентная схема туннельного диода с учетом этих параметров. Емкость р-n-перехода очень напоминает емкость плоского конденсатора, заполненного диэлектриком. Роль диэлектрика в данном случае выполняет область полупроводника, обедненная носителями тока, а роль пластин — двойной слой разноименных зарядов по обе стороны р-n-перехода.
Рис. 3. Эквивалентная схема туннельного диода.
Емкость С, являющаяся важнейшим параметром туннельного диода, зависит от свойств полупроводникового материала и площади р-n-перехода. Характеристикой материала с этой точки зрения служит отношение С (в пикофарадах) к Iмакс (в миллиамперах). Для лучших туннельных диодов, изготовленных из германия типа р и n арсенида галлия, это отношение менее единицы.
Сопротивление потерь f включено последовательно с цепочкой |R|C, так как оно характеризует все активные потери, заключенные в выводящих проводниках и однородных областях полупроводника типов р и n.
На очень низких частотах, когда сопротивление конденсатора велико, результирующее сопротивление переменному току между зажимами туннельного диода определяется разностью |r—R|. Поэтому туннельный диод будет обладать отрицательным сопротивлением только в том случае, если сопротивление потерь г будет меньше, чем абсолютное значение |R|. Отсюда, в частности, следует ограничение на минимальное допустимое значение сопротивления |R|. Если величина r составляет, например, 0,1 ом, то для того, чтобы диод работал достаточно эфективно, его отрицательное сопротивление должно быть по крайней мере на порядок больше, т. е. примерно 1 ом.
С повышением частоты емкость С начинает все более сильно шунтировать сопротивление |R|. На некоторой предельной частоте действительная часть сопротивления между точками А и Б станет равной по абсолютной величине сопротивлению потерь r. В этом случае результирующее дифференциальное сопротивление между выходными зажимами диода обратится в нуль. Другими словами, на предельной частоте туннельный диод перестанет быть активным элементом, т. е. он уже не будет обладать отрицательным сопротивлением.
Несложные расчеты показывают, что предельная частота оказывается равной
Из этой формулы непосредственно следует, что предельная частота возрастает с уменьшением постоянной времени |R|С и сопротивления потерь r. Для высокочастотных германиевых диодов с типовыми данными |R|=20 ом, С=10 пф и r=1 ом предельная частота согласно формуле (2) будет равна 3,5 Ггц, что соответствует длине волны около 9 см.
Современные туннельные диоды способны работать до миллиметровых волн включительно.