Туннельный эффект и его применение в электронных элементах техники связи

Туннельный диод – двухэлектродный полупроводниковый прибор, который применяется для усиления и генерирования высокочастотных электрических колебаний и в качестве быстродействующего переключателя в импульсных и электронных логических устройствах. Принцип работы туннельных диодов основан на явлении квантовомеханического туннельного эффекта. Туннельные диоды применяются в широкополосных усилителях, для усиления и генерирования высокочастотных электрических колебаний и в качестве быстродействующего переключателя в импульсных и электронных логических устройствах.

Обычные диоды пропускают ток при прямом включении и не пропускают при обратном. Это происходит вплоть до точки, называемой «напряжением пробоя», когда проводимость резко восстанавливается. В большинстве случаев это вызывает разрушение диода (кроме диодов специального назначения – стабилитронов).

Вольт-амперная характеристика туннельного диода

Рис.4

В туннельном диоде степень легирования p и n областей увеличена до такой степени, что напряжение пробоя становится равным нулю, и диод проводит ток в обратном направлении. При этом во время прямого включения имеет место т. н. «квантово-механическое туннелирование». Этот эффект создаёт на прямом участке вольт-амперной характеристики участок, где увеличение прямого напряжения сопровождается уменьшением силы тока. Эта область «отрицательного дифференциального сопротивления» (рис.4) используется в твердотельной версии динатронного генератора, где обычно применяется электровакуумный тетрод.

Туннельные диоды находят широкое применение в качестве генераторов и высокочастотных переключателей, работают на частотах, во много раз превышающих частоты работы тетродов – фактически вплоть до области СВЧ.

Наконец, туннельный эффект уже на практике применяется в технологии электронных микроскопов. Действие этого инструмента основано на том, что металлическое острие щупа приближается к исследуемой поверхности на сверхмалое расстояние. При этом потенциальный барьер не дает электронам из атомов металла перетечь на исследуемую поверхность. При перемещении щупа на предельно близком расстоянии вдольисследуемой поверхности он как бы перебирает атом за атомом. Когда щуп оказывается в непосредственной близости от атомов, барьер ниже, чем когда щуп проходит в промежутках между ними. Соответственно, когда прибор «нащупывает» атом, ток возрастает за счет усиления утечки электронов в результате туннельного эффекта, а в промежутках между атомами ток падает. Это позволяет подробнейшим образом исследовать атомные структуры поверхностей, буквально «картографируя» их. Кстати, электронные микроскопы как раз и дают окончательное подтверждение атомарной теории строения материи.

Также туннельный эффект получил практическое применение в сверхпроводниках под названием эффект Джозефсона. Сверхпроводниковый квантовый интерферометр — самый точный на сегодняшний день прибор для измерения магнитных полей, и при этом весьма компактный. Он находит самое широкое практическое применение в самых разных областях, начиная с предсказания землетрясений и заканчивая медицинской диагностикой.

Заключение

На данном занятии рассмотрели движение квантовой частицы через потенциальный порог при Е<П и сравнили полученные результаты с движением классической частицы. Научились использовать уравнение Шредингера для расчета коэффициентов прозрачности. Обсудили применение туннельного эффекта в электронных элементах техники связи.

Разработал ст. преподаватель кафедры

кандидат физ.-мат. наук Долматова О.А.

Рецензировал доцент кафедры

кандидат физ.-мат. наук Исмагилов Р.Г.