Tunelová dioda - Tunnel diode
 1N3716 tunelová dioda (s 0,1 " jumperem pro měřítko)
| |
| Typ | Pasivní |
|---|---|
| Pracovní princip | Kvantově mechanický efekt zvaný tunelování |
| Vynalezeno |
Leo Esaki Yuriko Kurose Takashi Suzuki |
| První výroba | Sony |
| Konfigurace kolíků | anoda a katoda |
| Elektronický symbol | |
 | |
Dioda tunel nebo Esaki dioda je druh polovodičové diody , která má v podstatě „ negativní odpor “ vzhledem ke kvantové mechaniky účinku zvaného tunelování . To bylo vynalezeno v srpnu 1957 Leo Esaki , Yuriko Kurose a Takashi Suzuki, když pracovali v Tokiu Tsushin Kogyo, nyní známém jako Sony . V roce 1973 obdržel Esaki Nobelovu cenu za fyziku společně s Brianem Josephsonem za objev elektronového tunelového efektu použitého v těchto diodách. Robert Noyce nezávisle na sobě vymyslel myšlenku tunelové diody, když pracoval pro Williama Shockleyho , ale byl odraden od jejího pokračování. Tunelové diody byly poprvé vyrobeny společností Sony v roce 1957, následovaly společnosti General Electric a další společnosti přibližně od roku 1960 a dodnes se vyrábějí v malém množství.
Tunelové diody mají silně dopovaný kladně-záporný (PN) přechod, který je široký asi 10 nm (100 Å ). Výsledkem těžkého dopingu je mezera v rozbitém pásmu , kde jsou stavy elektronů vodivého pásma na N-straně víceméně vyrovnány se stavy otvorů valenčních pásem na P-straně. Obvykle jsou vyrobeny z germania , ale mohou být také vyrobeny z arsenidu gália a křemíkových materiálů.
Použití
Jejich „záporný“ diferenciální odpor v části jejich provozního rozsahu jim umožňuje fungovat jako oscilátory a zesilovače a ve spínacích obvodech pomocí hystereze . Používají se také jako frekvenční měniče a detektory . Jejich nízká kapacita jim umožňuje pracovat na mikrovlnných frekvencích, daleko nad rozsahem běžných diod a tranzistorů .
Vzhledem k jejich nízkému výstupnímu výkonu nejsou tunelové diody široce používány: Jejich RF výstup je omezen na několik stovek milliwattů kvůli jejich malému kolísání napětí. V posledních letech však byla vyvinuta nová zařízení využívající tunelovací mechanismus. Rezonanční-tunelování dioda (RTD) dosáhla jedny z nejvyšších frekvencí kteréhokoli pevné fázi oscilátoru.
Dalším typem tunelové diody je dioda kov – izolátor – izolátor – kov (MIIM), kde další vrstva izolátoru umožňuje „ krokové tunelování “ pro přesnější ovládání diody. Existuje také dioda kov-izolátor-kov (MIM), ale vzhledem k inherentní citlivosti se zdá, že její současná aplikace je omezena na výzkumná prostředí.
Operace dopředného zkreslení
Při normálním provozu dopředného zkreslení , jak se napětí začíná zvyšovat, elektrony v prvním tunelu procházejí velmi úzkou bariérou PN spojení a vyplňují stavy elektronů ve vodivém pásmu na straně N, které se vyrovnávají s prázdnými stavy otvorů v pásmu valence na straně P křižovatky PN. Jak se napětí dále zvyšuje, tyto stavy se stávají stále nevyrovnanými a proud klesá. Toto se nazývá záporný diferenciální odpor, protože proud klesá s rostoucím napětím. Jak napětí stoupá za pevný přechodový bod, dioda začíná fungovat jako normální dioda, kde elektrony cestují vedením přes PN spojení, a už ne tunelováním bariérou spojení P – N. Nejdůležitější provozní oblastí tunelové diody je oblast „záporného odporu“. Jeho graf se liší od normální přechodové diody PN.
Operace zpětného zkreslení
Při použití v opačném směru se tunelové diody nazývají zpětné diody (nebo zpětné diody ) a mohou fungovat jako rychlé usměrňovače s nulovým offsetovým napětím a extrémní linearitou pro výkonové signály (mají přesnou charakteristiku pravoúhlé zákonitosti v opačném směru). Při reverzním předpětí se naplněné stavy na straně P stále více srovnávají s prázdnými stavy na straně N a elektrony nyní tunely přes bariéru PN přechodu v opačném směru.
Technická srovnání
V konvenční polovodičové diodě probíhá vedení, zatímco PN přechod je předpjatý dopředu a blokuje tok proudu, když je křižovatka předpjatý. K tomu dochází až do bodu známého jako „zpětné průrazné napětí“, ve kterém začíná vodivost bodu (často doprovázená destrukcí zařízení). V tunelové diodě se koncentrace dopantu ve vrstvách P a N zvyšují na úroveň tak, aby se reverzní průrazné napětí stalo nulovým a dioda vedla v opačném směru. Když je však předpjatý, dochází k efektu nazývanému kvantové mechanické tunelování, který vede k oblasti v jeho chování napětí vs. proud, kde je zvýšení dopředného napětí doprovázeno poklesem dopředného proudu. Tento „ negativní odpor “ oblast může být využita v pevném stavu verze dynatron oscilátoru , který normálně používá tetroda tepelně iontovou ventilu ( elektronku ).
Aplikace
Tunelová dioda se velmi osvědčila jako oscilátor a vysokofrekvenční prahové (spouštěcí) zařízení, protože pracovalo na frekvencích mnohem vyšších, než mohla tetroda: dobře do mikrovlnných pásem. Aplikace tunelových diod zahrnovaly lokální oscilátory pro televizní tunery UHF , spouštěcí obvody v osciloskopech , vysokorychlostní čítací obvody a obvody generátoru časových impulzů s velmi rychlým nárůstem. V roce 1977 použil satelitní přijímač Intelsat V front-end mikropáskového tunelového diodového zesilovače (TDA) ve frekvenčním pásmu 14–15,5 GHz. Takové zesilovače byly považovány za nejmodernější s lepším výkonem při vysokých frekvencích než jakýkoli předek založený na tranzistorech . Tunelovou diodu lze také použít jako nízkošumový mikrovlnný zesilovač. Od svého objevu překonaly konvenční polovodičová zařízení svůj výkon pomocí konvenčních technik oscilátoru. Pro mnoho účelů je zařízení se třemi svorkami, jako je tranzistor s efektem pole, pružnější než zařízení s pouhými dvěma svorkami. Praktické tunelové diody fungují na několik miliampérů a několik desetin voltu, což z nich dělá zařízení s nízkou spotřebou energie. Gunn dioda má podobnou schopnost vysoké frekvence a zvládne více energie.
Tunelové diody jsou také odolnější vůči ionizujícímu záření než jiné diody. Díky tomu se dobře hodí do prostředí s vyšším zářením, jaké se nachází ve vesmíru.
Dlouhověkost
Tunelové diody jsou náchylné k poškození přehřátím, a proto je při jejich pájení nutná zvláštní péče.
Tunelové diody se vyznačují dlouhou životností a zařízení vyrobená v šedesátých letech stále fungují. Esaki a spoluautoři píší v přírodě , že polovodičová zařízení jsou obecně extrémně stabilní, a naznačují, že jejich skladovatelnost by měla být „nekonečná“, pokud by byla udržována při pokojové teplotě . Dále uvádějí, že malý test 50 let starých zařízení odhalil „potěšující potvrzení dlouhověkosti diody“. Jak si všimli některé vzorky diod Esaki, pozlacené železné kolíky mohou ve skutečnosti korodovat a zkratovat případ. To lze obvykle diagnostikovat a léčit jednoduchou technikou peroxid / ocet, která se běžně používá k opravě telefonních desek plošných spojů a dioda uvnitř stále funguje.
Přebytečné ruské komponenty jsou také spolehlivé a často je lze zakoupit za pár pencí, přestože původní náklady jsou v rozmezí 30–50 GBP. Typicky prodávané jednotky jsou založeny na GaAs a mají poměr I pk / I v 5: 1 při přibližně 1–20 mA I pk , a proto by měly být chráněny proti nadproudu.