В отличие от радиоламп и неоновых лампочек, про которые я рассказывал в предыдущих статьях, популярность диодов и других полупроводниковых приборов сегодня невероятно высока. Диоды и транзисторы в том или ином виде можно найти, наверное, в любых современных электронных устройствах.

Мои предыдущие статьи:
Домашние эксперименты с радиолампами. Часть 1. Теория
Домашние эксперименты с радиолампами. Часть 2. Практика
Неонки: высокое напряжение, тлеющий разряд и немного практической магии

Полупроводниковый диод был изобретен очень давно, еще в начале 19 века. На сегодня количество типов диодов исчисляется десятками. 

По виду основного материала наиболее известны германиевые и кремниевые диоды, а также диоды из арсенида и нитрида галлия. Что же касается области применения, то это диоды выпрямительные, диоды Шоттки, стабилитроны и светодиоды, полупроводниковые лазеры, фотодиоды, варикапы, туннельные диоды, солнечные элементы, диоды для работы на высоких и сверхвысоких частотах (СВЧ) и так далее.

В этой статье я сперва расскажу об основах — как устроен p-n переход обычных выпрямительных диодов. А затем я перейду к очень интересным туннельным диодам, работа которых основана на квантовых эффектах. 

Обладая туннельным диодом, вы сможете наблюдать квантовый эффект туннельного перехода дома, прямо на своем рабочем столе! На базе туннельных диодов мне удалось сделать надежно работающие генераторы высокочастотных и низкочастотных колебаний, а также повышающий преобразователь напряжения с питанием от батарейки на 1,5 В.

Что такое полупроводник

Как нетрудно догадаться из названия, полупроводник представляет собой нечто среднее между проводником и изолятором. Но как на самом деле устроены полупроводники?

Валентные электроны и ковалентные связи

Наверное, вы знаете, что к полупроводникам относятся такие материалы, как германий, кремний, арсенид галлия и селен.

Атомы германия и кремния содержат 32 и 14 электронов, соответственно. При этом четыре электрона в этих материалах валентные. Валентные электроны находятся на внешней оболочке атома и участвуют в химических связях с соседними атомами. Каждый атом германия и кремния связан четырьмя ковалентными связями с соседними атомами (рис. 1).

На этом рисунке оранжевыми кружками показаны ядра атомов с внутренними электронными оболочками,  валентные электроны — в виде голубых кружков с буквой «e». Зелеными линиями обозначены ковалентные связи между атомами.

Электроны и дырки от них 

При охлаждении полупроводника до абсолютного нуля все валентные электроны крепко связаны с атомами, и полупроводник ведет себя как изолятор. Но если повышать температуру, связь ослабевает и в результате теплового движения валентные электроны могут покидать свои атомы.

Когда валентные электроны покидают атом, на их месте образуются «дырки». Тогда возникает положительный заряд, равный заряду электрона. Если к полупроводнику приложить напряжение, в эти дырки будут «перепрыгивать» валентные электроны соседних атомов, образуя новые дырки (рис. 2).

В результате через полупроводник пойдет небольшой ток. Такую проводимость называют собственной, и она невелика. Но если добавить в полупроводник примесь, например сурьму или индий, то ситуация изменится.

У атомов сурьмы на внешнем слое пять валентных электронов, а у атомов индия — три. При избытке валентных электронов в полупроводнике образуется так называемая отрицательная электропроводность типа n (negative), а при недостатке, как в случае добавления индия, — электропроводность типа p (positive). Эта проводимость называется примесной (в полупроводник добавлены примеси), и она намного выше собственной проводимости полупроводника.

Создаем p-n переход

Добавляя в полупроводники примеси, можно сделать материалы с n- и p-проводимостью. Если создать бутерброд из этих материалов, получим устройство, которое называется диодом c p-n переходом (рис. 3).

Что будет, если подключить p-n переход к источнику напряжения?

На рис. 4 слева показан результат при подключении положительного контакта напряжения к полупроводнику с проводимостью типа p, а отрицательного — к полупроводнику с проводимостью типа n.

В этом случае электроны будут продвигаться к плюсу источника напряжения, заполняя дырки, а дырки будут двигаться навстречу электронам. В результате через p-n переход пойдет ток.

Но если подключить источник напряжения, как это показано на рис. 4 справа, то ток через переход не пойдет. Электроны и дырки будут растаскиваться в противоположном направлении — электроны к плюсу источника напряжения, а дырки к минусу.

Здесь проявляется основное свойство p-n перехода, образующего диод — способность проводить ток только в одном направлении. 

Напомним, что таким же свойством обладает и ламповый диод. Но в отличие от лампового диода полупроводниковому диоду не нужна нагретая нить накаливания и высокое напряжение на аноде.

Детекторный приемник

В старых книгах для радиолюбителей сразу после описания p-n перехода обычно рассказывали о том, как самому сделать детекторный приемник. Я тоже делал такой, когда учился в школе. И хотя без усилителя низкой частоты звук был очень тихий, я получил много эмоций, услышав музыку в наушниках! 

К сожалению, сейчас в диапазонах длинных и средних волн мне не удалось поймать какую-нибудь радиостанцию даже на транзисторный приемник — радиовещание переместилось в диапазон ультракоротких волн (УКВ) с частотной модуляцией. Но не буду нарушать традицию и расскажу кратко про детекторные приемники, так как в них применяются диоды.

Схема детекторного приемника

Схема несложного детекторного приемника показана на рис. 5.

Для такого приемника нужна достаточно длинная антенна (10–15 метров) и заземление. В качестве заземления я использовал батарею центрального отопления.

Антенна улавливает из эфира радиоволны, а колебательный контур, состоящий из катушки L1 и конденсатора C2 выделяет нужную частоту. Что касается конденсатора C1, то он ослабляет влияние антенны на резонансную частоту контура.

Диод D1 выпрямляет радиочастотные колебания с амплитудной модуляцией (АМ), выделяя из них низкочастотную составляющую. Конденсатор C3 фильтрует высокочастотные колебания, в результате чего на наушники P1 поступает только низкочастотный сигнал.

Амплитудная модуляция

На рис. 6 показан пример использования АМ для наложения низкочастотных колебаний на колебания более высокой частоты.

Смысл такого наложения в том, что высокочастотные колебания можно передавать через эфир на большие расстояния. При передаче звуковой сигнал накладывается на колебания высокой частоты, а затем этот сигнал передается в эфир. Приемник принимает такой сигнал и выделяет из него низкочастотную составляющую.

Кристаллический детектор

В самых первых детекторных приемниках в качестве диода выступал кристаллический детектор (рис. 7).

На рис. 8 показан кристаллический детектор «кошачий ус», состоящий из минерального кристалла (галенита или кремния), залитого припоем в металлическую чашечку.

Диод образуется из этого кристалла и тонкой проволоки, касающейся поверхности кристалла. Такой детектор использовался очень давно, примерно с 1906 по 1940 годы.

Проверяем результат детектирования

Чтобы показать, как работает диод в детекторном приемнике, для имитации радиовещательной станции я воспользовался функциональным генератором и самым обычным полупроводниковым точечным диодом, добытым в старом телевизоре.  На колебания с частотой 2 МГц была наложена амплитудная модуляция сигналом с частотой 1 КГц (рис. 9).

Была собрана схема выпрямителя, аналогичная такому,  как используется в детекторном приемнике (рис. 10).

На первый канал CH1 осциллографа я подал результат детектирования, а на CH2 — модулирующий низкочастотный сигнал.

В верхней части рис. 11 показан результат детектирования, а в нижней — исходный модулирующий сигнал.

Вы, конечно, заметили, что в результате детектирования форма сигнала получилась искаженной. Все это потому, что у диода нелинейная вольт-амперная характеристика (ВАХ).

Вольт-амперная характеристика диода

ВАХ диода показывает зависимость тока, проходящего через диод, от приложенного к нему напряжения. На рис. 12 показана такая зависимость для германиевых и кремниевых диодов.

Как видите, в режиме прямого смещения (когда диод открыт), ток растет с ростом напряжения экспоненциально. В режиме обратного смещения тоже идет ток. Он очень мал, но может сильно вырасти при достижении напряжения пробоя. 

Если диод находится в режиме прямого смещения, ток увеличивается значительно при достижении порогового напряжения — 0,3 В для германиевых диодов и 0,7 В для кремниевых.

Германиевые диоды позволяют добиться лучших результатов в детекторных приемниках за счет низкого порогового напряжения, но и они вносят нелинейные искажения в исходный сигнал. 

Еще лучше здесь будут работать так называемые диоды Шоттки. В этих диодах вместо p-n перехода используется переход металл-полупроводник. Диоды Шоттки отличаются малым падением напряжения, высокой скорость переключения и вносят минимальные искажения при детектировании сигналов.

Туннельные диоды

В отличие от вакуумных диодов, для питания туннельного диода будет достаточно источника с напряжением 1,5 В. Сначала я расскажу о том, как работает туннельный диод, а затем приступлю к описанию экспериментов с ним.

Туннельный эффект

Чтобы понять, как работают туннельные диоды, нужно разобраться с туннельным эффектом. Есть такое определение туннельного эффекта в Википедии:

— Тунне́льный эффект, туннели́рование — преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера.

Иллюстрация эффекта в сильно упрощенном виде показана на рис. 13.

Здесь из положения A шарик скатывается в углубление, и у него недостаточно энергии, чтобы преодолеть возвышенность и выкатиться за нее. Однако представьте себе, что шарики с определенной вероятностью каким-то непостижимым образом оказываются в положении B!

Возвращаясь к частицам, например, к электронам, скажем, что хотя у электрона и не хватает энергии попасть за барьер, она все-таки с определенной вероятностью попасть туда может. И эта вероятность возрастает с увеличением энергии частицы, с уменьшением ширины и высоты барьера.

На рис. 14 показан баллон с вакуумом, в котором находится два электрода.

Если приложить напряжение к этим электродам, то за счет автоэлектронной эмиссии в схеме пойдет ток. При этом будет происходить туннелирование электронов через потенциальный барьер вблизи электрода.

Надо сказать, что при использовании обычных электродов туннельный эффект появляется только при очень сильных полях, возникающих при напряжениях в десятки миллионов вольт. Уменьшая размеры электродов до десятых или сотых долей микронов напряжение возникновения автоэлектронной эмиссии можно уменьшить до сотен или десятков вольт. Но все равно это слишком много для практического применения.

Устройство туннельного диода

Туннельный диод, как и обычный, образуется из полупроводников, но есть важное отличие. Чтобы добиться очень малой ширины p-n перехода для возникновения туннельного эффекта, используются полупроводники с большой концентрацией примесей. На границе полупроводников образуется обедненный слой очень малой ширины (рис. 15).

В результате на переходе создается высокая напряженность электрического поля, порядка 10⁸ В/м. Туннельный эффект возникает в этом случае уже при напряжении меньше одного вольта.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода

Особенность вольт-амперной характеристики туннельного диода — наличие на нем области отрицательного сопротивления. На рис. 16 — это область B.

Если постепенно увеличивать напряжение на туннельном диоде, то сначала на участке A ток будет расти, причем в отличие от обычного диода очень быстро. Если приложить напряжение обратной полярности, то будем наблюдать такой же быстрый рост обратного тока.

При достижении определенного уровня повышение напряжения будет приводить к уменьшению тока. Это потому, что с увеличением прямого напряжения из-за смещения энергетических уровней уменьшается количество электронов, совершающих туннельный переход.

Область уменьшения тока, обозначенная как B, является областью отрицательного сопротивления. Именно эта область является рабочей для туннельных диодов.

При дальнейшем увеличении напряжения ток снова начнет расти. Теперь туннельный диод ведет себя уже как обычный диод. Область C не используется как рабочая, а при значительном увеличении тока в этой области возможно повреждение туннельного диода.

Маркировка туннельных диодов

Хотя сегодня выпуск туннельных диодов очень ограничен, вы все еще можете купить самые разные туннельные диоды, сделанные во времена СССР. Их можно разделить на четыре типа:

• генераторные;

• переключательные;

• усилительные;

• обращенные

Первые три типа подходят для изготовления генераторов, усилителей и переключающих схем, соответственно. Обращенные диоды можно использовать для детектирования сигналов в схемах СВЧ.

Тип туннельного диода можно определить по его маркировке (рис. 17).

Первой в обозначении диода идет цифра 1, 2, 3 или 4, либо буква Г, К, А или И. Диоды с цифрой лучше — они предназначены для военного применения и у них может быть шире рабочий температурный интервал или улучшены другие характеристики.

Вслед за цифрой идет буква — класс полупроводникового прибора. Для туннельного и обращенного диода это буква И.

На третьей позиции находится цифра, обозначающая вид диода. 

Далее следует серийный номер (номер разработки), а в конце — буква, обозначающая классификацию по параметрам.

Параметры туннельных диодов

Параметры туннельных диодов можно найти в интернете по их названию. Приведем ссылки на описание туннельных диодов некоторых типов, с которыми я проводил эксперименты:

• 3И201 — генераторный;

• 3И402 — обращенный:

• 3И306 — переключательный;

• АИ301 — переключательный;

• 3И101 — усилительный

В интернете можно найти ссылки и на зарубежные туннельные диоды:

1N2941, 1N2969, 1N2969A, 1N3149, 1N3150, 1N3561, 1N3712, 1N3713, 1N3714, 1N3716, 1N3717, 1N3718, 1N3721, 1N3849, 1N4397, 1N4397A, 1N4398, 40567, 40568, 40571,TD262A, TD263B, TD265A, TD715

Проверка туннельного диода

Если вы приобрели туннельные диоды, то с ними нужно обращаться очень осторожно. Туннельные диоды могут выйти из строя из-за статического электричества, при проверке мультиметром (тестером), а также от перегрева. 

Чтобы проверить туннельный диод, я собрал схему, показанную на рис. 18.

При подключении туннельного диода важно соблюдать полярность (рис. 19).

Положительный вывод диода там, где контакт меньшего диаметра. Кроме того, этот вывод может быть отмечен зеленой полоской.

По буквам на поверхности отрицательного контакта можно судить о маркировке туннельного диода. Подробнее об этом можно узнать из документации на диод соответствующего типа.

Вернемся к схеме проверки диода (рис. 18). Здесь в качестве источника тока мы использовали батарейку типа АА напряжением 1,5 В. 

Перед включением устанавливаем максимальное сопротивление переменного резистора R1. Далее постепенно уменьшаем сопротивление, контролируя ток миллиамперметром. В качестве миллиамперметра я использовал обычный мультиметр на пределе 20 mA.

При уменьшении R1 сначала наблюдается возрастание тока. Однако в определенный момент ток резко уменьшится, а затем снова начнет увеличиваться. Если вы зафиксировали такое поведение, то туннельный диод исправен. Во время испытаний не доводите значение тока до максимально допустимого, чтобы диод не вышел из строя.

Генераторы на туннельных диодах

Я попробовал собрать разные генераторы на генераторных и переключательных туннельных диодах.

Высокочастотный генератор

Отобрав исправные туннельные диоды, я приступил к сборке генератора ВЧ сигнала (рис. 20).

Для питания этого генератора вы можете использовать одну или две батарейки на 1,5 В. В качестве туннельного диода я пробовал все диоды, перечисленные выше, кроме обращенного. Все они позволяли добиться генерации путем подбора сопротивления R1.

В качестве колебательного контура я пробовал разные варианты из деталей, которые нашлись под рукой. На рис. 21 показано использование катушки с ферритовым сердечником от старого лампового телевизора и подстроечного конденсатора КПК-МП емкостью 6/25 пФ (рис. 21).

Осциллограф был подключен ко второй катушке, где меньше витков. 

Постепенно уменьшая сопротивление R1, добейтесь появления генерации. Когда генерация только появится, форма сигнала будет далека от синусоидальной (рис. 22).

Уменьшая значение R1 еще больше, наблюдайте за изменением формы сигнала. В итоге я смог добиться относительно правильной синусоидальной формы (рис. 23).

Обратите внимание, что амплитуда полученного сигнала исчисляется десятками милливольт. К сожалению, от генераторов на туннельных диодах можно получить только слабый сигнал.

Звуковой генератор

Заменив в  высокочастотном генераторе (рис. 20) колебательный контур на телефонный наушник типа ТК-67-НТ, можно создать звуковой генератор (рис. 24).

Собранный генератор показан на рис. 25.

Здесь я использовал модуль питания макетных плат, переключив его в напряжение 3,3 В.

Изменяя емкость конденсатора C2, можно генерировать колебания разной частоты. Вы можете вообще не использовать конденсатор C2, но генератор все равно будет работать.

Звук получился довольно громкий, однако форма колебаний далека от синусоидальной (рис. 26).

Повышающий преобразователь напряжения

Еще одно интересное применение туннельных диодов — создание повышающих преобразователей напряжения. Такие преобразователи могут работать от очень низкого напряжения.

На рис. 27 показана схема преобразователя, питающаяся от одной батарейки напряжением 1,5 В.

Когда я измерил напряжение питания на батарейке, то получил значение 1,47 В. На конденсаторе C2 напряжение составило уже 2,43 В с нагрузкой в виде светодиода, и 3 В без нагрузки.

Собранная схема показана на рис. 28.

В качестве диода D2 был использован выпрямительный диод 1N4007, а в качестве светодиода D3 — зеленый светодиод из набора модулей для схем на Arduino. Повышающим трансформатором послужил сетевой трансформатор от старого транзисторного приемника.

Как видите, подключенный к выходу повышающего трансформатора зеленый светодиод загорелся. От напряжения 1,5 В он бы гореть не стал.

Конденсатор С2 емкостью 100 мкФ заряжается довольно долго. Чтобы сократить время заряда, попробуйте уменьшить его емкость, например, до 10 мкФ.

Форма сигнала на выходе повышающей обмотки трансформатора показана на рис. 29.

Подключив осциллограф параллельно конденсатору C2 или светодиоду, можно убедиться, что фильтр в виде электролитического конденсатора емкостью 100 мкФ убрал пульсации.

Итоги

На этом мы заканчиваем с вами практическую часть по изучению туннельных диодов. Лично я получил настоящее удовольствие, пока экспериментировал с ними. Надеюсь, и вам они понравятся.

Если тема полупроводниковых приборов вас увлекает, то я могу рассказать о других, полезных и очень распространенных устройствах — диодах различных типов, а также о транзисторах, биполярных и полевых.

Количество экспериментов, которые можно поставить с полупроводниковыми приборами, ограничивается только вашей фантазией!

Полезные ссылки

• Валентный электрон

• Ковалентная связь

• Германий

• Кремний

• Арсенид галлия

• Селен

• Диод

• Диод Шоттки

• Ртутные выпрямители

• Колебательный контур

• Амплитудная модуляция

• Кристаллический детектор

• Точечный диод

• Простейшие детекторные приемники

• Детекторный приёмник. Немного практики

• Самодельный радиоприёмник из лезвия и карандаша

• Автоэлектронная эмиссия

• Особенность работы туннельных диодов и их применение в электрических схемах

• Что такое туннельный диод, как устроен и где применяется

• Квантовый туннельный эффект

• Системы нумерации (условных кодовых обозначений) диодов 

• Обращенные диоды

Автор @AlexandreFrolov

---

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.