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 D р — погрешность определения импульса;
D х — 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
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.
В интернете сегодня можно встретить огромное количество схем радиопередающих устройств. Эти компактные передатчики в простонародье получили название жучок, устройство для прослушки.
В основном известные конструкции жучков повторяется начинающим любителем, но без определенного опыта, собрать и испытать профессиональный микрофон очень трудно, поскольку жучки достаточно трудно настраиваются. Иными словами в домашних условиях очень трудно собрать стабильный жучок с дальностью действия более 200 метров, если конечно устройство работает не на спутниковом диапазоне.
Сегодня будет рассмотрена конструкция радиожучка, где в качестве генератора используется туннельный диод.
В интернете конструкций таких жучков не очень много, встречаются всего пара схем жучков на туннельных диодах, нарушим традицию стандартных схем и рассмотрим новый вариант строения передатчика без транзисторов!
Вышесказанное не совсем верно, поскольку после испытания схемы, стало понятно, что без транзистора все-таки не обойтись, правда, тут транзистор применен только для усиления сигнала от микрофона.
Контур намотан на пластмассовой оправе с диаметром 5 мм, содержит 7 витков (для FM диапазона), провод с диаметром 0,6-1мм.
Дальность жучка небольшая, всего 20-30 метров и то при точной настройке. Генератор начинает работать даже тогда, когда напряжение 0,5-0,6 вольт, стандартное напряжение -1,5 вольт, выше подавать не стоит. Ток потребления всего 1,5-2 мА! одной пальчиковой батарейки может хватить на пол года.
Жучок пригоден только для "ближних боев", следить за соседним домом и т.п., это будет вашим третьим ухом.
Не смотря на достаточно простую конструкцию, стабильность на достаточно высоком уровне, сплава частоты почти не наблюдал во время опытов.
Чувствительность микрофона до 4-х метров, сам микрофон использован от гарнитуры мобильного телефона.
Основные параметры жучка:
Напряжение питания 0.5. 2 Вольт
Дальность действия — 30 метров
Рабочая частота — 88-108 МГц
Транзистор с резистором на 520 Ом в коллекторной цепи образует делитель напряжения, ее рабочая точка задается подстроечным резистором 68 к, резистор регулируют так, чтобы на коллекторе транзистора напряжение было 0,2-0,3 вольт, таким образом обеспечивая нормальное напряжение для питания генератора, это второе предназначение транзистора.
Антенна — кусок многожильного провода с длиной 20 см, при исключении последнего, дальность действия жучка спадает до 5-6 метров.
Туннельный диод можно использовать типа АИ201/301 или из импортного интерьера — 1N3713
Главное достоинство — компактные размеры устройства и низковольтное питание, при сборке на смд компонентах, всю конструкцию можно поместить в пуговицу от плаща.
Туннельный диод обладает особыми характеристиками, отличающими его от обычных диодов и стабилитронов. Если диоды и стабилитроны хорошо пропускают ток только в одну сторону (в обратную – только в области пробоя), то туннельный диод способен хорошо проводить ток в обе стороны. Это свойство обеспечивают особенности устройства туннельного диода: очень узкий p-n переход и значительное количество присадок.
Содержание статьи
История создания туннельного диода
Эта деталь была предложена в 1956 году японским ученым Л. Есаки. Для ее изготовления использовался германий или арсенид галлия с большим количеством присадок, обладающих низким удельным сопротивлением.
Арсенид галлия оказался более перспективным материалом. При производстве туннельных диодов используются: доноры – олово, сера, теллур, свинец, селен, а также акцепторы – кадмий и цинк. Применяются германиевые полупроводники, в которых: доноры – мышьяк и фосфор, а акцепторы – алюминий и галлий. Примеси вводят в состав диода путем вплавления или диффузии.
Особенности и принцип действия туннельного диода
Туннельные диоды с чрезвычайно малым сопротивлением относят к группе вырожденных. Для них характерны:
- электронно-дырочный переход – в десятки раз тоньше, по сравнению с обычными диодными устройствами;
- потенциальный барьер – в 2 раза выше относительно стандартных полупроводниковых деталей;
- наличие напряженности поля даже при отключении питающего напряжения – 106 В/см.
Уникальные свойства туннельного диода проявляются в его вольтамперной характеристике (ВАХ) при прямом смещении в полупроводнике.
На схеме видно, что на отрезке А ток растет с увеличением напряжения. На участке В полупроводник проявляет отрицательное сопротивление (туннельный эффект), приводящее к тому, что при росте вольтовой характеристики ток снижается. На отрезке С прибор снова обеспечивает прямую зависимость между током и напряжением.
Туннельные диоды предназначены для работы как раз на отрезке, для которого характерно отрицательное сопротивление. Небольшое повышение напряжения выключает его, а снижение – включает.
Основные параметры туннельных диодов
При выборе этого полупроводника учитывают:
- ток пика – максимальный ток прямого направления;
- пиковое напряжение, характерное для тока пика;
- минимальный ток (ток впадины) и характерное для него напряжение;
- напряжение скачка – максимальный перепад напряжений;
- емкость – емкость между выводами полупроводника при определенной вольтовой характеристике смещения.
Маркировка туннельных диодов и их обозначение на схеме
В обозначении диодов присутствует несколько позиций (обычно 5). Первой идет буква или цифра. Цифры 1, 2, 3 обозначают, что диод предназначен для военного применения (имеет более широкий температурный рабочий интервал, по сравнению со стандартными полупроводниками). На первой позиции может стоять буква, указывающая на материал, используемый при изготовлении детали: Г – германий, А – арсенид галлия. Вторая позиция показывает класс полупроводника, Д – обозначает «диод». На третьей позиции отображают характеристики мощности или частоты. Четвертая – двух- или трехзначный серийный номер. В конце обозначения производитель предоставляет дополнительную информацию.
Цветовая маркировка диодов 
Обозначение туннельного диода на схемах
Области применения
Параметры туннельного диода обеспечивают его использование в следующих областях:
- в качестве высокоскоростного выключателя;
- в роли усилителя, в котором повышение напряжения вызывает более значительный рост тока, по сравнению со стандартными диодными устройствами;
- для получения и усиления электромагнитных колебаний;
- в радиоэлектронных переключающих и импульсных устройствах различного назначения, для которых актуально высокое быстродействие.
Преимущества и недостатки
Плюсы туннельных диодов:
- особая вольтамперная характеристика в определенном интервале напряжений;
- уникальное быстродействие, малая инерционность;
- устойчивость к ионизирующему излучению;
- сниженное потребление электроэнергии от источника электропитания.
Все туннельные диоды имеют компактные размеры. Часто они представляют собой изделия в герметичных корпусах цилиндрической формы диаметром 3-4 мм, высотой 2 мм и массой менее 1 грамма.
Существенным недостатком полупроводников этого типа является значительное старение, которое приводит к изменению их свойств, а следовательно, к нарушению нормальной функциональности устройства. «Туннельники» могут утратить прежние параметры не только из-за превышенных рабочих режимов, но даже из-за длительного хранения, после чего они превращаются в «обращенные» полупроводники. Такое обстоятельство часто становится причиной некорректного функционирования промышленных осциллографов.
Существуют и «обращенные» полупроводники промышленного изготовления. От туннельных они отличаются меньшей концентрацией примесей, хотя общий принцип функционирования у них одинаковый.
Как проверить туннельный диод на работоспособность
Проверять работоспособность ТД авометром – комбинированным прибором для измерения тока, напряжения и частоты – запрещено, поскольку полупроводники некоторых групп могут выйти из строя. Если неизвестна принадлежность детали к определенной категории, то безопасней использовать генераторный пробник, позволяющий контролировать работоспособность туннельного диода в активном режиме.