Изучаем туннельный диод на примере 3И306М

Автор оригинала: Ted Yapo
  • Перевод
  • Tutorial

В современной электронике туннельные диоды вытеснены компонентами, более удобными для решения тех же задач. Но почему бы не поэкспериментировать с активным элементом, который когда-то считался одним из самых быстродействующих?

Туннельные диоды делятся на предназначенные для усилителей, импульсных генераторов и ключевых схем. Согласно даташиту, диоды серии 3И306 предназначены для применения в переключающих устройствах. На графике показана зависимость падения напряжения на диоде от тока через него на прямом участке ВАХ:


Характериограф у автора импровизированный, он состоит из сигнал-генератора, 10-омного резистора и осциллографа. При этом возникает ошибка: один канал осциллографа измеряет суммарное напряжение на всей последовательной цепи из диода и резистора, а другой — только на резисторе (по второму из этих напряжений можно косвенно определить ток). Рассчитать падение напряжения только на диоде можно, экспортировав кривые в CSV-файл, а затем сгенерировав графики в Python с matplotlib.

Пример ВАХ туннельного диода на экране осциллографа:


Вначале ток через диод возрастает приблизительно до 11 мА, пока напряжение не увеличивается до 150 мВ, затем резко уменьшается до 500 мкА и возрастает снова. Это — участок отрицательного дифференциального сопротивления, на котором ток падает с увеличением напряжения.

Для изучения работы диода в переключающем устройстве автор подключил его к двум BNC-разъёмам. Корпуса их соединены вместе, а между центральными контактами включён диод. Сигнал с генератора с выходным сопротивлением в 50 Ом поступает через диод на осциллограф с тем же входным сопротивлением:


Поведение диода не зависит от формы сигнала. Когда напряжение превышает пороговое, происходит переключение. Автор подавал сигнал треугольной формы с частотой порядка 100 кГц. Спадание тока происходит за 900 пикосекунд, а нарастание — за 1,1 наносекунды. Впечатляет, особенно если учитывать, что схема состоит из одной детали, не считая сигнал-генератора. У генератора прямоугольных импульсов на таймере 555 переключение длится примерно 100 наносекунд.


Но размах выходного сигнала невелик, поскольку туннельные диоды работают при малых напряжениях и токах.

Далее автор пробует применить переключательный диод не по назначению — в генераторе. Здесь он будет поддерживать в контуре незатухающие колебания:


Колебательный контур первоначально состоял из одного витка диаметром в 9 мм и конденсатора на 2 пФ. Конденсатор на 10 нФ замыкает генерируемые колебания на себя, не пропуская их в цепь питания. Напряжение питание составляет 700 мВ, после запуска генератор продолжает работать при снижении напряжения до 330 мВ.


Сначала генератор работал на частоте в 295 МГц. При замене конденсатора в контуре на другой, ёмкостью в пФ, частота возросла всего до 300 МГц, из чего следует, что собственная ёмкость диода и дальше занижала частоту. Рассчитав индуктивность витка, автор далее вычислил собственную ёмкость диода — 18 пФ. В даташите сказано, что она не превышает 30 пФ, и это оказалось так.

При наблюдении колебаний важно не внести в контур дополнительную ёмкость. У 10-кратного щупа осциллографа ёмкость составляет 10 пФ, чего достаточно, чтобы ещё уменьшить частоту. Поэтому автор замкнул вход осциллографа на корпус, получив ещё один виток — измерительный. Поднеся его к витку контура, можно получить трансформатор без сердечника. Амплитуду колебаний так не узнать, но можно посмотреть, как она зависит от напряжения питания.


Чтобы увеличить частоту генерации, автор укоротил выводы диода и подключил конденсатор с аксиальным расположением выводов прямо к ним. Виток больше не нужен, индуктивность обеспечивают выводы компонентов. После подачи на схему напряжения питания в 700 мВ началась генерация на частоте в 581 МГц. Как бы ещё увеличить её? Взять объёмный резонатор?


Вероятно, работать с туннельными диодами проектировщикам было непросто: правило «строим усилитель — получается генератор» здесь так и норовило соблюстись. Поэтому автор пока не пробовал делать на таком диоде усилитель.

Выходной сигнал автор снимал тем же способом, и хотя он выглядит как идеально синусоидальным, он может быть и искажённым, просто на частоте в 581 МГц у осциллографа на 1 ГГц для обнаружения искажений не хватает разрешающей способности. Так же, как и в предыдущем случае, точно измерить амплитуду, а значит, сравнить по ней этот генератор с предыдущим, не получится.

Туннельные диоды очень «нежны»: один из них вышел у автора из строя при снятии ВАХ из-за слишком большой амплитуды сигнала с генератора, другой — от перегрева при пайке. С оставшимися восемью автор обращался значительно деликатнее. Впаивать диод нужно при температуре не более 260 °C не дольше 3 секунд и с теплоотводом. Рекомендуемого для таких целей медного пинцета толщиной в 2 мм у автора нет, но подошёл алюминиевый зажим, изначально приобретённый для пайки германиевых компонентов:


Диоды также боятся статики, к тому же, «проверка диодов тестером не допускается». У автора после такого опыта диод выжил, но во время проверки не звонился ни в одну сторону. Определять полярность нужно по иллюстрации в даташите.

Если с туннельными диодами собираетесь экспериментировать и вы, приобретите их на всякий случай с запасом, но соблюдать эти несложные правила начинайте сразу. И тогда не потеряете ни один.
Поддержать автора
Поделиться публикацией

Комментарии 39

    +1
    Вопрос. Если через источник постоянного тока подать 4-6мА на туннельный диод, ВАХ которого приведена в статье, какое падение напряжения будет на диоде? Или возникнет колебательный процесс?
      +1

      ВАХ — это зависимость тока от напряжения, а не наоборот. Нельзя взять и подать 4 милиампера. Можно подать напряжение, при котором получится требуемый ток.

        +1

        Тем не менее, подать постоянный ток можно, включив источник напряжения последовательно с источником тока и последовательно с туннельным диодом.

          +2
          Источник тока без приложенного к нему напряжения не работает, правильней сказать что это не источник а стабилизатор тока.
            +2
            В данном вопросе имеется ввиду идеальный источник тока, в котором ЭДС равна бесконечности, и сопротивление тоже. Ток на выходе источника в идеале не зависит от сопротивления нагрузки. Реальный от идеального будет отличаться тем, что в данном случае сопротивлением нагрузки либо можно пренебречь, либо в определенном диапазоне ток от источника не будет меняться.

            С любым другим диодом, или стабилитроном ответить на этот вопрос было бы очень просто. На диоде установится напряжение либо прямое, от десятых долей вольта, до единиц вольт, либо, при обратном включении, напряжение лавинного пробоя, несколько не постоянное (дробовый шум), которое может быть разным в широких пределах.
            А вот с туннельным диодом будет куда интереснее. Генерация должна возникнуть при наличии резонансного контура. А с источником тока установиться одно напряжение, а на каком из участков графика, будет зависеть от того, дошел ли ток до участка отрицательного сопротивления (обратите внимания, если подключать диод к источнику напряжения, то на участке от 0.2 до 0.6 вольт напряжение растет, а ток падает, что называют участком с отрицательным сопротивлением). На графике мы этот участок не видим, слишком быстро он пролетел, но именно на этом участке, в этой рабочей точке, работают усилители и генераторы.
              0
              Картина маслом: неучи плюсуют Незнайку. Ребята, вы не в теме.
                +2
                Это идеальная модель для расчётов.
                Если Вы Знайка, то просто подумайте, как её реальзовать в реальной жизни.
                  0
                  На практике любой стабилизатор 1117, для такого диода можно взять и слабее. Либо токовое зеркало, и источник ЭДС. В случае с диодом, в определенном диапазоне токов и напряжений данный источник будет вести себя как идеальный.
                  Т.е. мы просто стабилизируем ток, и подаем 4 ма.
                    +2
                    1117 — это стабилизатор напряжения, а не тока. Он выдаёт свои 3,3 вольта, и всё. Через нагрузку в 1 килоом будет ток 3,3 мА, а через 100 ом уже 33 мА.
                    А токовое зеркало совсем другое дело. Оно изменяет напряжение на своём выходе, пока не получится требуемый ток.
                    Ну и возвратимся к туннельному диоду. Напряжение на нём будет зависеть от предыстории. Если источник тока поднимает своё напряжение от нуля, то на диоде устаканится малое падение (до участка с отрицательным сопротивлением). А если источник тока, наоборот, начинает свою работу с ненулевым выходным напряжением (например, 1 В), то при том же токе мы попадём в другую точку ВАХ.
                      +2
                      А токовое зеркало совсем другое дело. Оно изменяет напряжение на своём выходе, пока не получится требуемый ток.

                      Это шизофазия?
                        0

                        Нет, просто так работает стабилизация тока.
                        Но давайте заслушаем Ваш вариант. Каким образом Вы предлагаете получать один и тот же ток на разных нагрузках, не трогая выходное напряжение источника тока?

                  +2
                  Википедия, это конечно хорошо, но…
                  Источник тока, это двухполюсник, создающий ток, который является строго постоянной величиной и никак не зависит от значения сопротивления на подключенной нагрузке, а внутреннее сопротивление его приближается к бесконечности. Вот это определение источника тока, с указанием его основного свойства, а именно, бесконечного внутреннего сопротивления. На ВИКИ про это не слова. Не стоит забывать, что идеальный источник тока это абстракция. В ВИКИ же источник тока описывается как некая нагрузка, ток через которую не зависит от приложенного напряжения. Что в некоторых случаях верно, но кто занимается техникой, и не владеет теорией, откроет эту страницу, и не поймет, как мы можем подключить источник тока к диоду. Нагрузку к нагрузке. И главное зачем. Возможно поэтому Вы и увидели неучей, плюсующих Незнайку.
                    +1
                    На самом деле, если вспомнить ТОЭ (или как там назывался курс теоретических основ электротехники у Вас в ВУЗе), то все, что Вы сказали про идеальный источник тока, можно сказать и про идеальный источник напряжения, надо лишь ток и напряжение поменять местами, а сопротивление заменить на проводимость. Оба этих понятия являются идеализированным абстрактным представлением несуществующих в природе устройств. Реальные источники напряжения и тока могут стремиться к идеалу только в некотором ограниченном диапазоне условий, а именно внешних нагрузок. Источник напряжения, из за ограничения максимально возможного отдаваемого выходного тока, может считаться таковым лишь при сопротивлении нагрузки не менее определенного предельного значения. Источник тока, наоборот, из за ограничения максимального выходного напряжения, может оставаться источником тока при сопротивлении нагрузки не более определенного предельного значения.
                    На практике мы чаще сталкиваемся с источниками электроэнергии и режимами их работы, соответствующими источнику напряжения. Но чаще — не значит всегда, например, из того, что первым пришло в голову — это измерительный трансформатор тока. Для корректной работы, он должен использоваться в режиме, близком к КЗ вторичной обмотки, именно как источник тока, а не напряжения.
                      +1
                      Идеальный источник напряжения обладает несколько другими свойствами. У него нулевое внутреннее сопротивление, или, как Вы указали, бесконечная проводимость. Мой ВУЗ, это Дальневосточный энергетеческий техникум (заочно с отличием, после 20 лет работы в связи), а электроника, это хобби всей жизни, потому владею как и практикой, так и теорией (может несколько неупорядоченно). По части практики, при поверхностном взгляде, это так. Но это видимая сторона. В любой микросхеме есть очень много источников тока, как минимум, это каскады операционных усилителей. Просто мы пользуемся самим ОУ, питаем его источником напряжения, не особо задумываясь, что там внутри. А источников тока, реальных, не абстрактных, на практике немало. Второй пример на поверхности, светодиоды. Третий, неоновые лампы, ЛДС, либо другие, с тлеющим разрядом. Кроме того стабилизация по току это один из режимов работы инверторного сварочного аппарата.
                        +1
                        Нулевое, или даже отрицательное, внутреннее сопротивление может иметь не только идеальный источник напряжения, но и вполне реальный. Пример источника напряжения с отрицательным выходным сопротивлением — стабилизатор частоты вращения коллекторного электродвигателя.
                        Насчет достаточно широкого применения источников тока в схемотехнике Вы абсолютно правы.
              0
              Что Вам мешает подавать стабильный ток и измерять падение напряжения?
                +2

                Опишите эту процедуру подробнее.
                Чтобы "подавать стабильный ток", всё равно придётся подстраивать напряжение на выходе источника, пока этот ток не получится.

                  +2
                  Изначально в вопросе упоминался источник тока. Источник тока — это официальный электротехнический термин. Его модель — источник большой (стремящийся к бесконечности) ЭДС Е, соединенный последовательно с большим сопротивлением R, так, чтобы их частное E/R давало нужный по величине ток I. Так что подстраивать ничего не надо, все уже подстроено)
                    +1
                    Вы очень старательно описываете ровно то же самое, что и я, только другими словами. Что же происходит с напряжением на выходе источника, когда источник тока меняет своё R?
                    Ну, смелее :)
                    Оно изменяется.
                    +1
                    Ну можно запилить вот такой прибор
                    Изменяя сопротивление R1 получаем на выходе стабильный ток.
                    В данной схеме напряжение само подстраивается.
                    А вообще, есть источники напряжения, которые создают постоянную разность потенциалов на выводах, и источники тока, которые создают постоянный ток в замкнутой цепи. И оба этих вида замечательно существуют в электронике (правда с некоторым отличием от идеальных).
                      +1
                      Да, всё верно. Вы меняете R1, при этом изменяется напряжение после R1. О чём я и пишу.
                  +1
                  источник тока — официальный термин, так что вопрос был задан корректно.
                  +7
                  Вы получите схему с двумя устойчивыми состояниями — некоторое подобие триггера. По ВАХ диода из статьи, эти состояния будут примерно соответствовать 30...50мВ и 1100...1150мВ. Внешними воздействиями (например, кратковременными импульсами напряжения) можно будет перебрасывать схему из одного устойчивого состояния в другое. Если добавите резонансную цепь (возможно, сами того не желая, на паразитных емкостях и индуктивностях), то возникнет колебательный процесс. Для обеспечения условий возникновения колебаний необходимо, чтобы отрицательное динамическое сопротивление диода в рабочей точке (на падающем участке ВАХ) полностью компенсировало потери в колебательном контуре.
                    +1
                    Это типа память на одном диоде получается ?!
                      +5
                      Точнее сказать — запоминающая ячейка. Чтобы она стала полноценной памятью, пригодной для практического применения, ее надо обвешать цепями записи/считывания, дешифратором адреса и т.д. Кроме того, такая память, в отличие от КМОП, постоянно потребляет энергию, даже если к ней не производится обращений, что делает ее не очень интересной.
                        +1
                        А если два последовательно?
                        К чёрту подробности, — она быстрая получится???
                          +2
                          Вы имеете ввиду два последовательно, чтобы получился некий аналог КМОП? Это не снизит статический потребляемый ток до токов утечки, так как, в отличие от КМОП, где в статике один ключ открыт, а другой полностью закрыт, здесь для хранения состояния необходимо протекание тока большего, чем величина провала на ВАХ. Насчет быстродействия (по современным меркам) затрудняюсь сказать.
                            +1
                            Довольно быстрая — по тогдашним меркам. Когда-то на ТД такое уже делали, мнээээ… году в 1965, покопаюся в библиотеке, скажу.
                            УПД. МРБ вып. 575 (вместе с триггерами на элементах Джозефсона) и 586, библиотека автоматики вып.136 и 144.

                            Кажется, были опыты по микроминиатюризации, но не знаю, чем закончилось (сверхпроводящие триггеры от голубого гиганта померли ещё в конце прошлого века, выбросили на них, НЯП статьи в печати, от двух до семи миллиардов тех ещё убитых енотов — дело закончилось пшиком).
                    0
                    Спасибо, интересная статья!
                      +1
                      Прибор основанный на квантовом эффекте. Квантовая механика рулит!
                        +1
                        Спасибо за статью. В качестве контура генератора интересно было бы поэксперементировать с кусочком ВЧ коаксиального кабеля.
                          +1
                          Какие аналоги можно использовать?
                            +2
                            Знать бы мне лет 20 назад, что туннельные диоды такие нежные — сэкономил бы кучу времени. Пытался собрать радиомикрофон(там он в генераторе использовался) — потратил около недели, пока что-то заработало. Это потом понял, что скорее всего чудом, так как туннельные диоды притащил жменькой в кармане, паял 100Вт паяльником(да и опыта пайки на то время не много было) а «цэшкой» пытался прозвонить все что мог. Все условия были для того, чтобы не заработало никогда :)
                              +1
                              Как все это знакомо. Кто-то же напечатал ту схему, и хоть бы предупредил
                              +1
                              Я очень хотел сделать генератор квантового шума на таком диоде. Но не нашёл ни одной толковой схемы.
                                +1
                                А откуда взялась данная идея? Есть шумовой диод, но он основан, емнип, на обычном тепловом шуме.
                                  +1
                                  Тепловой шум, как известно зависит от температуры и является фликкер-шумом. Пример фликкер-шума — это лавины, которые накапливаются и потом сходят, когда наступит критическая масса. Квантовый шум, будет на границе ВАХ, при преодолении туннельного эффекта. По идее, это не должно сильно зависеть от температуры (при достаточной плотности шума).

                                  Ссылки по теме:
                                  Ать
                                  Двать
                                    +1
                                    Давеча собрал генератор на туннельном диоде. И посмотрите на спектр — его колбасит +-50 кГц:

                                    Спектр
                                    image


                                    Катушка жесткая из провода 1 мм, т.е. с растяжением не связано. Возможно решим диода не точно подобрал и как раз сказываются пороговые эффекты?
                                      +2
                                      Возможно. Я боюсь не смогу помочь подробно, т.к. у меня всё осталось на уровне идей. Но я давно хотел сделать квантовый генератор случайных чисел.

                              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                              Самое читаемое