Отрицательное дифференциальное сопротивление

Отрица́тельное дифференциа́льное сопротивле́ние — свойство отдельных элементов или узлов электрических цепей, проявляющееся в возникновении на вольтамперной характеристике участка, где напряжение V уменьшается при увеличении протекающего тока I (dV/dl = R < 0). C точки зрения радиотехники такие элементы являются активными, позволяющими трансформировать энергию источника питания в незатухающие колебания. Такие элементы можно также использовать в схемах переключения.

Зависимость I от V в нелинейном элементе с отрицательным дифференциальным сопротивлением может быть N-типа и S-типа.

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

$R(\omega )=dV(\omega )/dl(\omega ).$

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 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 шнурованию тока по сечению образца для характеристики S-типа.

Элемент цепи с отрицательным сопротивлением называют негатроном. Эти элементы могут иметь различную физическую реализацию.

Примеры элементов с отрицательным внутренним 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 ГГц.

• 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.

См. также

• Внутреннее сопротивление
• Полупроводники

Литература

1. Бонч-Бруевич А. М. Радиоэлектроника в экспериментальной физике.
2. Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников.