Отрицательное дифференциальное сопротивление

Если через отдельные элементы или узлы электрической цепи протекает ток I, и при увеличении тока I уменьшается напряжение V на этих элементах, то сопротивление R таких элементов называют отрица́тельным дифференциа́льным.

dV/dI = R < 0.

Характер изменения I(V) можно наблюдать на вольт-амперной характеристике (ВАХ) (см. рисунок). C точки зрения радиотехники такие элементы являются активными, позволяют преобразовать энергию источника питания в незатухающие колебания, могут использоваться в схемах переключения.

В общем случае отрицательное внутреннее сопротивление является функцией напряжения (тока) и частоты ω, то есть понятие отрицательного дифференциального сопротивления сохраняет смысл для соответствующих компонент разложения в ряд Фурье:

[math]\displaystyle{ R (\omega) = dV(\omega)/dI(\omega). }[/math]

Понятие отрицательного дифференциального сопротивления используют при рассмотрении устойчивости различных радиотехнических цепей. Такое сопротивление может компенсировать некоторую часть потерь в электрической цепи, если его абсолютная величина меньше активного сопротивления; в противоположном случае состояние становится неустойчивым, возможен переход в другое состояние (состояние устойчивого равновесия) (переключение) или возникновение колебаний (генерация). В однородном образце полупроводника в области существования отрицательного дифференциального сопротивления неустойчивость может приводить к разбиению образца на участки сильного и слабого поля (доменная неустойчивость) для характеристики N-типа или шунтированию тока по сечению образца для характеристики S-типа.

Элемент цепи с отрицательным сопротивлением называют негатроном^[1]. Такие элементы могут иметь различную физическую реализацию.

Примеры элементов с отрицательным дифференциальным сопротивлением

Электронно-дырочный переход в вырожденных полупроводниках (туннельный диод) имеет вольтамперную характеристику N-типа. Включение его в цепь приводит к возникновению в цепи неустойчивости и генерации колебаний. Амплитуда и частотный спектр колебаний определяются параметрами внешней цепи и нелинейностью вольт-амперной характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Наличие такого участка позволяет использовать туннельный диод в качестве быстродействующего переключателя.

Полупроводники типа GaAs или InP в сильных электрических полях позволяют реализовать характеристику N-типа в объёме материала за счёт зависимости подвижности электронов от напряжённости электрического поля (эффект Ганна). В сильном электрическом поле образец становится неустойчивым, переходит в резко неоднородное состояние — разбивается на области (домены) слабого и сильного поля. Рождение домена (на катоде), его движение по образцу и исчезновение (на аноде) сопровождаются колебаниями тока во внешней цепи, частота которых в простейшем случае определяется длиной образца L и скоростью v дрейфа электронов в поле (ω ~ v/L) и может достигать ~ 100 Г Гц.

В транзисторных и ламповых генераторах электромагнитных колебаний транзистор (лампа) вместе с цепью положительной обратной связи (и источником питания) играет роль отрицательного дифференциального сопротивления, соединённого последовательно с сопротивлением контура, что эквивалентно поступлению энергии в контур. Если абсолютная величина действующего отрицательного внутреннего сопротивления превышает активные потери, происходит самовозбуждение генератора; стационарные колебания соответствуют состоянию, когда активные потери полностью компенсируются за счёт отрицательного внутреннего сопротивления.

Газоразрядная лампа имеет отрицательное дифференциальное сопротивление. После зажигания лампы протекающий в ней ток многократно возрастает. Если ток не ограничить, лампа выйдет из строя.

См. также

Примечания

↑ Биберман Л. И. Широкодиапазонные генераторы на негатронах. – М.: Радио и связь, 1982. – 89 с.

Литература

Бонч-Бруевич А. М. Радиоэлектроника в экспериментальной физике.
Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников.
Бенинг 3. Ф. Отрицательные сопротивления в электронных схемах. — М., 1975.

[1] Биберман Л. И. Широкодиапазонные генераторы на негатронах. – М.: Радио и связь, 1982. – 89 с.

[1]