Tunneldiode - Tunnel diode
 1N3716 tunneldiode (med 0,1 " jumper for skala)
| |
| Type | Passiv |
|---|---|
| Arbeidsprinsipp | Kvantemekanisk effekt kalt tunneling |
| Oppfunnet |
Leo Esaki Yuriko Kurose Takashi Suzuki |
| Første produksjon | Sony |
| Pin-konfigurasjon | anode og katode |
| Elektronisk symbol | |
 | |
En tunneldiode eller Esaki-diode er en type halvlederdiode som effektivt har " negativ motstand " på grunn av den kvantemekaniske effekten som kalles tunneling . Den ble oppfunnet i august 1957 av Leo Esaki , Yuriko Kurose og Takashi Suzuki da de jobbet i Tokyo Tsushin Kogyo, nå kjent som Sony . I 1973 mottok Esaki Nobelprisen i fysikk , sammen med Brian Josephson , for å oppdage elektrontunneleffekten som ble brukt i disse dioder. Robert Noyce utviklet uavhengig ideen om en tunneldiode mens han jobbet for William Shockley , men ble motet fra å forfølge den. Tunneldioder ble først produsert av Sony i 1957, etterfulgt av General Electric og andre selskaper fra omkring 1960, og er fortsatt laget i lite volum i dag.
Tunneldioder har en kraftig dopet positiv-til-negativ (PN) kryss som er ca. 10 nm (100 Å ) bred. De tung doping resulterer i et gjennombrutt bånd gap , hvor ledningsbåndet elektrontilstander på N-side er mer eller mindre på linje med valenshullstilstander på P-siden. De er vanligvis laget av germanium , men kan også være laget av galliumarsenid og silisiummaterialer .
Bruker
Deres "negative" differensialmotstand i en del av driftsområdet tillater dem å fungere som oscillatorer og forsterkere , og i bryterkretser ved hjelp av hysterese . De brukes også som frekvensomformere og detektorer . Deres lave kapasitans gjør at de kan fungere ved mikrobølgefrekvenser , langt over rekkevidden til vanlige dioder og transistorer .
På grunn av deres lave utgangseffekt er tunneldioder ikke mye brukt: RF- utgangen er begrenset til noen få hundre milliwatt på grunn av den lille spenningssvingningen. De siste årene har det imidlertid blitt utviklet nye enheter som bruker tunnelmekanismen. Den resonant-tunnele diode (RTD) har oppnådd noen av de høyeste frekvenser av et hvilket som helst solid-state oscillator.
En annen type tunneldiode er en metall-isolator – isolator-metall (MIIM) diode, der et ekstra isolasjonslag muliggjør " trinntunnellering " for mer presis kontroll av dioden. Det er også en metall-isolator-metall (MIM) diode, men på grunn av iboende følsomhet ser det ut til at den nåværende applikasjonen er begrenset til forskningsmiljøer.
Forward bias-operasjon
Under normal forspenningsoperasjon , når spenningen begynner å øke, vil elektroner ved første tunnel gjennom den meget smale PN-kryssbarrieren og fylle elektrontilstander i ledningsbåndet på N-siden som blir justert med tomme valensbåndhulltilstander på P-siden av PN-krysset. Når spenningen øker ytterligere, blir disse tilstandene stadig feiljustert, og strømmen synker. Dette kalles negativ differensialmotstand fordi strøm synker med økende spenning. Når spenningen øker utover et fast overgangspunkt, begynner dioden å fungere som en normal diode, der elektroner beveger seg gjennom ledning over PN-krysset, og ikke lenger ved å tunnelere gjennom P-N-kryssbarrieren. Den viktigste driftsområdet for en tunneldiode er regionen "negativ motstand". Grafen er forskjellig fra normal PN-kryssdiode.
Omvendt skjevhet
Når de brukes i omvendt retning, kalles tunneldioder tilbake-dioder (eller bakover-dioder ) og kan fungere som raske likerettere med null offset-spenning og ekstrem linearitet for kraftsignaler (de har en nøyaktig firkantlovskarakteristikk i motsatt retning). Under omvendt forspenning blir fylte tilstander på P-siden stadig mer justert med tomme tilstander på N-siden, og elektroner tunnel nå gjennom PN-kryssbarrieren i omvendt retning.
Tekniske sammenligninger
I en konvensjonell halvlederdiode foregår ledning mens PN-krysset er forspent og blokkerer strømmen når krysset er forspent. Dette skjer opp til et punkt kjent som "revers nedbrytningsspenning" hvor ledning begynner (ofte ledsaget av ødeleggelse av enheten). I tunneldioden økes dopemiddelkonsentrasjonen i P- og N-lagene til et nivå slik at omvendt sammenbruddsspenning blir null og dioden leder i motsatt retning. Imidlertid, når det er forspent, forekommer en effekt som kalles kvantemekanisk tunneling som gir opphav til et område i spenningen mot strømadferd der en økning i fremoverspenningen er ledsaget av en reduksjon i fremoverstrømmen. Dette " negative motstandsområdet " -området kan utnyttes i en solid state-versjon av dynatronoscillatoren som vanligvis bruker en tetrode- termionisk ventil ( vakuumrør ).
applikasjoner
Tunneldioden viste stort løfte som en oscillator og høyfrekvent terskel (trigger) enhet siden den fungerte med frekvenser langt større enn tetroden kunne: godt inn i mikrobølgebåndene. Anvendelser av tunneldioder inkluderte lokale oscillatorer for UHF- TV-mottakere, utløserkretser i oscilloskoper , høyhastighets motkretser og veldig hurtig tidspulsgeneratorkretser. I 1977 brukte Intelsat V- satellittmottakeren en microstrip tunnel diode amplifier (TDA) front-end i frekvensbåndet 14–15,5 GHz. Slike forsterkere ble ansett som moderne, med bedre ytelse ved høye frekvenser enn noen transistorbasert frontend. Tunneldioden kan også brukes som en støysvak mikrobølgeovnforsterker. Siden oppdagelsen har mer konvensjonelle halvlederanordninger overgått ytelsen ved hjelp av konvensjonelle oscillatorteknikker. For mange formål er en tre-terminal enhet, for eksempel en felt-effekt transistor, mer fleksibel enn en enhet med bare to terminaler. Praktiske tunneldioder fungerer på noen få milliamper og noen tideler av en volt, noe som gjør dem til enheter med lav effekt. Den Gunn-diode har tilsvarende høy frekvens evne og kan håndtere mer kraft.
Tunneldioder er også mer motstandsdyktige mot ioniserende stråling enn andre dioder. Dette gjør dem godt egnet for miljøer med høyere stråling som de som finnes i rommet.
Lang levetid
Tunneldioder er utsatt for skade ved overoppheting, og det er derfor nødvendig med forsiktighet når du lodder dem.
Tunneldioder er bemerkelsesverdige for deres lang levetid, med enheter laget på 1960-tallet fortsatt fungerer. Writing in Nature , Esaki og medforfattere sier at halvlederutstyr generelt er ekstremt stabile, og foreslår at holdbarheten deres skal være "uendelig" hvis den holdes ved romtemperatur . De rapporterer videre at en test i liten skala av 50 år gamle enheter avslørte en "gledelig bekreftelse på diodens levetid". Som bemerket på noen eksempler på Esaki-dioder, kan de forgylte jernpinnene korroderer og kortsluttes i saken. Dette kan vanligvis diagnostiseres og behandles med enkel peroksid / eddiksteknikk som vanligvis brukes til reparasjon av PCB-er, og dioden inni fungerer normalt fortsatt.
Overskudd av russiske komponenter er også pålitelige og kan ofte kjøpes for noen få pens, til tross for at de opprinnelige kostnadene ligger i £ 30–50-serien. Enhetene som vanligvis selges er basert på GaAs og har et I pk / I v- forhold på 5: 1 på rundt 1–20 mA I pk , og bør derfor beskyttes mot overstrøm.