Zvyšování kvality výuky technických oborů Klíčová aktivita V. 2
Inovace a zkvalitnění výuky směřující k rozvoji odborných kompetencí žáků středních škol Téma V. 2.3
Polovodiče a jejich využití Kapitola 14 Tunelová dioda Bc. Radim Miksa
30. 9. 2012
Obsah ÚVOD - ANOTACE ..................................................................................................................................... 1 1
TUNELOVÁ DIODA .............................................................................................................................. 2 1.1
POPIS TUNELOVÉ DIODY ......................................................................................................................... 2
1.2
POUŽITÍ TUNELOVÉ DIODY ...................................................................................................................... 2
1.3
VA CHARAKTERISTIKA TUNELOVÉ DIODY .................................................................................................... 3
1.4
KONTROLNÍ OTÁZKY .............................................................................................................................. 3
2
DOPORUČENÁ LITERATURA ................................................................................................................ 4
3
POUŽITÁ LITERATURA A ZDROJE......................................................................................................... 5
4
SEZNAM OBRÁZKŮ ............................................................................................................................. 6
Úvod - anotace Výukový materiál se zabývá popisem Tunelové diody. Výklad je na konci kapitoly doplněn kontrolními otázkami. Tento materiál je především určen pro 2. a 3. ročník oboru 39-41-L/01 Autotronik. Cílem tohoto materiálu je podpora zvládnutí daného výukového celku v předmětu Aplikovaná elektronika (AEL) a seznámení studentů se základními pojmy z oblasti polovodičové techniky. Po prostudování všech kapitol by měl student být schopen základní orientace v oblasti polovodičových součástek a jejich aplikací.
1
1
Tunelová dioda
1.1
Popis tunelové diody Někdy se také nazývá Esakiho dioda (podle japonského fyzika Esaki - objev v roce 1957).
Obrázek 1 - schématická značka tunelové diody
Dioda se vyrábí z velmi dotovaného Ge nebo GaAs. Při polarizaci ve zpětném směru se tunelová dioda chová jako lineární rezistor s malým odporem. Této vlastnosti se dá využít k sestrojení oscilátorů nebo rychlých spínačů. PN přechod je vyroben ze silně dotovaných polovodičů s velmi tenkou ochuzenou oblastí (řádově 10 nm). Vzhledem k uvedeným skutečnostem se zvětšuje pravděpodobnost, že elektrony i s malou energií proniknou přes PN přechod. Jejich energie je menší než energie valenčních elektronů polovodičových materiálů, nezaplňují díry v polovodiči P, ale postupují dále pod vlivem vnějšího napětí.
1.2
Použití tunelové diody Dioda se používá při frekvencích v oblasti GHz.
zesilovací prvek v oblasti VKV
spínací a paměťový prvek
dělič kmitočtů
čítač impulsů v oblastech až do 1GHz.
Aplikace tunelových diod přináší řadu nevýhod, a proto se tyto diody v současné době používají jen zřídka. Tunelové diody bývají nahrazovány tranzistory řízenými elektrickým polem.
Obrázek 2 - Tunelová diody
2
1.3
VA charakteristika tunelové diody
Popsaný jev, tzv. tunelový jev, se projevuje strmým průběhem charakteristiky. Plná čára znázorňuje, že malé přiložené napětí v propustném směru (cca 50 mV) způsobí nárůst proudu na vrcholovou hodnotu Ip, další zvyšování napětí vede ke snížení proudu na hodnotu Iv. Při dalším zvyšování napětí asi 0,3 až 0,4 V se voltampérová charakteristika tunelové diody připojuje k charakteristice běžné germaniové diody nebo diody z GaAs (čárkovaná červená křivka na obrázku představuje VA propustnou charakteristiku běžného přechodu PN).
Obrázek 3 - VA charakteristika tunelové diody
1.4
Kontrolní otázky 1. Kdo objevil Tunelovou diodu? 2. Z čeho se Tunelová dioda vyrábí? 3. Jak se chová Tunelová dioda ve zpětném směru? 4. V jakých aplikacích se používá tunelová dioda? 5. Kterou polovodičovou součástkou jsou dnes Tunelové diody nahrazovány? 6. Co nám popisuje VA charakteristika Tunelové diody? 7. Při jakém napětí se VA charakteristika Tunelové diody přiblíží běžné diodě? 8. Co způsobí malé přiložené napětí v propustném směru (asi50mV)? 9. Proč se dioda nazývá Tunelová?
3
2
Doporučená literatura 1. VOŽENÍLEK, Ladislav a Miloš ŘEŠÁTKO. Základy elektrotechniky I. 1. Vyd. Praha: SNTL, 1984. 303 s. ISBN 04-508-86 2. TKOTZ, Klaus. Příručka pro elektrotechnika. 2. dopl. vyd. Praha: Europa-Sobotáles, 2006. 623 s. ISBN 80-867-0613-3. 3. MALINA, Václav. Poznáváme elektroniku I. 1. vyd. České Budějovice: Kopp, 1994. 173 s. ISBN 80-858-2817-0. 4. BEZDĚK, Miloslav. Elektronika: učebnice. 3. vyd. České Budějovice: Kopp, 2008. ISBN 978-80-7232-359-32. 5. KESL, Jan. Elektronika: učebnice. 1. vyd. Havlíčkův Brod: Fragment, 1998. 86 s. ISBN 80-720-0261-9.
4
3
Použitá literatura a zdroje 1. VOŽENÍLEK, Ladislav a Miloš ŘEŠÁTKO. Základy elektrotechniky I. 1. Vyd. Praha: SNTL, 1984. 303 s. ISBN 04-508-86 2. TKOTZ, Klaus. Příručka pro elektrotechnika. 2. dopl. vyd. Praha: Europa-Sobotáles, 2006. 623 s. ISBN 80-867-0613-3. 3. KESL, Jan. Elektronika: učebnice. 1. vyd. Havlíčkův Brod: Fragment, 1998. 86 s. ISBN 80-720-0261-9.
5
4
Seznam obrázků
OBRÁZEK 1 - SCHÉMATICKÁ ZNAČKA TUNELOVÉ DIODY......................................................................................................... 2 OBRÁZEK 2 - TUNELOVÁ DIODY ....................................................................................................................................... 2 OBRÁZEK 3 - VA CHARAKTERISTIKA TUNELOVÉ DIODY .......................................................................................................... 3
6
