Tunelska dioda je posebna vrsta diode, ki se ne obnaša kot običajna. Ker je močno dopiran, postane njegov spoj izjemno tanek, zato lahko elektroni tunelirajo skozi njega tudi pri nizki napetosti. To ustvari nenavadno območje, imenovano negativna diferencialna upornost, kjer lahko tok pade tudi, ko napetost narašča.
Osnove tunelskih diod
Tunelska dioda ima dva priključka, podobno kot standardna dioda. Oba konca morata biti jasno označena, saj se naprava lahko obnaša drugače kot standardna dioda v določenih napetostnih območjih.
Imena terminalov
• Anoda → p-tip stran
• Katoda → n-tip strani
Dejstva o terminalu
• Pri prednapetosti naprej običajni tok teče iz anode → katode.
• Polariteta je še vedno pomembna, tunelske diode pa lahko prav tako prevajajo v obratni polarizaciji zaradi tuneliranja.
• Na mnogih fizičnih embalažah je katoda označena z pasom ali piko.
Struktura in kvantno tuneliranje v tunelski diodi
Pri standardnem p–n stiku je območje izčrpanosti dovolj široko, da nosilci večinoma prečkajo pregrado s toplotnim vbrizgavanjem. Tunelska dioda je zgrajena drugače: tako p kot n stran sta močno dopirani, kar zmanjša območje izčrpanosti na le nekaj nanometrov. Pri tako tanki pregradi lahko elektroni prehajajo skozi njo s kvantnim tuneliranjem, zato se lahko opazen tok pojavi že pri zelo nizki napetosti naprej.
Kakšne močne spremembe dopinga (vzrok → učinek)
• Močno dopiranje poveča koncentracijo nosilcev in zoži območje izčrpanosti.
• Tanjše območje izčrpanosti pomeni tanjšo energijsko pregrado v spoju.
• Ko je pregrada dovolj tanka, lahko nosilci prekopajo skozi njo namesto čez njo.
• To omogoča nizkonapetostno prevodnost in močno odvisno vedenje spoja od geometrije in parametrov materiala.
Kaj tuneliranje pomeni v tej diodi
Pri običajni diodi nosilec potrebuje dovolj energije, da prečka pregrado. V tunelski diodi, tudi ko je energija nosilca pod vrhom pregrade, lahko kljub kvantni mehaniki še vedno prehaja skozi pregrado, če so na eni strani zasedena stanja, poravnana z praznimi stanji na drugi.
Praktični oblikovalski vidiki
• Kapacitivnost spoja je običajno višja, ker je območje izčrpanosti izjemno tanko.
• Povratno blokiranje je omejeno, povratna prebojna napetost pa je pogosto nižja kot pri standardnih diodah.
• Zmogljivost je bolj občutljiva na spremembe procesov in temperaturo, visokofrekvenčno vedenje pa močno temelji na kapacitivnosti spoja in induktivnosti ohišja/vodila.
Hitra primerjava
| Vidik | Standardna dioda | Tunelska dioda |
|---|---|---|
| Raven dopinga (običajen vrstni red) | ~10¹⁶–10¹⁸ cm⁻³ | ~10¹⁹–10²⁰ cm⁻³ |
| Debelina izčrpavanja | Širši | Zelo ozko |
| Glavna pot prevoznikov | Večinoma čez pregrado | Večinoma skozi pregrado (tuneliranje) |
| Obratno blokiranje | Pogosto močno | Pogosto omejeno |
Energijski pasovni pogled tunelske diode
Ničelna ali zelo majhna pristranskost
Pri ničelni polarizaciji se tuneliranje lahko zgodi v obe smeri, ker je pregrada tanka. Neto tok ostaja blizu ničle, ker je tuneliranje iz p→n uravnoteženo s tuneliranjem iz n→p.
Pristranskost majhnega napredka: Narašča proti vrhu (ip pri vp)
Z majhnim naprednim nagibom se energijski pasovi premaknejo tako, da se zapolnjena stanja na eni strani poravnajo s praznimi stanji na drugi. Število razpoložljivih tunelskih poti se povečuje, zato tok hitro narašča.
• Tok doseže vršni tok Ip pri vršni napetosti Vp, ko je poravnava najmočnejša.
Višja pristranskost naprej: Padec proti dolini (IV pri vv)
Ko se napetost v smeri naprej poveča nad Vp, postaja poravnava pasu slabša. Manj držav se ujema, zato se tunelske poti skrčijo. Tunelski tok se zmanjša, čeprav se napetost poveča.
• To je regija NDR, kjer < dI/dV 0.
• Tok pade na dolinski tok Iv pri dolinski napetosti Vv.
Še višja prednapovedna polarizacija: prevladuje normalna diodna prevodnost
Pri dovolj višji naprej pristranskosti tuneliranje postane šibko, ker se stanja za tuneliranje ne ujemajo več dobro. Konvencionalna prevodnost naprej (difuzija/injekcija) postane prevladujoča, tok pa ponovno narašča z napetostjo.
Tunelska dioda I–V krivulja in ključni parametri
Tunelska dioda ima značilno naprej I–V krivuljo: tok naraste do vrha, nato pade v dolino in nato spet naraste. "Padec med naraščajočo napetostjo" je območje negativnega diferencialnega upora (NDR).
Kako brati krivuljo (na višji ravni)
• 0 → Vp: poti za tuneliranje se povečajo, tok hitro narašča.
• Vp → Vv: tunelske poti se zmanjšajo, tok pade (NDR).
• V > Vv: prevladuje normalna prevodnost diode, tok ponovno narašča.
Ključne točke na krivulji
• Vp (vršna napetost): napetost na točki največjega tunelskega toka
• Ip (vršni tok): največji tok tuneliranja naprej
• Vv (Valley Voltage): napetost na minimalni točki po padcu
• IV (dolinski tok): minimalni tok pred močnim naraščanjem normalne prevodnosti
• Ip/Iv (razmerje med vrhom in dolino): kaže, kako izrazito je vedenje NDR
Napredne operativne regije in opombe o pristranskosti
Regija A: Nizkonapetostno tuneliranje (okoli 0 do Vp)
• Uporabite, kadar želite, da nizkonapetostna prevodnost prevladuje s tuneliranjem.
• Ohranite razporeditev parazitskih naprav majhne, če je signal hiter ali RF.
Regija B: NDR okno (VP do Vv)
• To je območje, ki se uporablja za oscilatorje in RF vezja z negativno upornostjo.
• Pristranskost na stabilni delovni točki znotraj okna NDR, ne neposredno na robovih.
• Uporaba pristranskega omrežja, ki preprečuje nekontrolirane ali nezaželene skoke med delovnimi točkami.
• Zmanjšajte dodano serijsko upornost, kjer potrebujete močno vedenje NDR, saj serijska upornost zmanjša efektivno negativno upornost.
Območje C: Normalna naprej prevodnost (nad Vv)
• Obravnavajte ga bolj kot običajno območje diode (tok narašča z napetostjo).
• Učinki NDR niso več prevladujoči, zato ni območje za delovanje z negativno upornostjo.
Hitri pregledi pristranskosti (hitri seznam sanitity)
• Preverite želeno točko pristranskosti glede na podatke naprave I–V (Ip, Vp, Iv, Vv).
• Preverite temperaturni odmik: Premik Vp/Ip/Iv lahko premakne delovno točko.
• Preverjanje parazitskih elementov: Induktivnost Do I–V lahko pri visokih frekvencah preoblikujeta navidezni I–V signal.
• Potrdite stabilnost z okoliškim omrežjem (zlasti pri delovanju NDR).
Obratna pristranskost in način obratne diode
Tunelska dioda lahko prevaja opazen tok tudi v obratni polarizaciji, ker je njeno območje izčrpanosti krhko. Ko se uporabi majhna vzvratna napetost, se energijske ravni lahko poravnajo, kar omogoča nosilcem tuneliranje v obratni smeri. Ta obratna prevodnost pri nizki napetosti se pogosto imenuje način obratne diode.
Kako izgleda obratno tuneliranje
• Majhna obratna napetost premakne energijsko poravnavo, tako da tuneliranje poteka v obratni smeri.
• Obratno tuneliranje lahko podpira: zaznavanje RF na nizki ravni. Mešanje ali frekvenčna pretvorba (v nekaterih vezjih)
Zakaj se ne uporablja kot usmernik moči
• Obratna prevodnost se lahko začne pri nizki obratni napetosti, zato je povratna blokada omejena.
• Obratno upravljanje napetosti je običajno precej nižje kot pri mnogih močnostnih diodah.
Materiali tunelskih diod in Ip/Iv
| Gradivo | Pasovna vrzel (približno) | Tendenca tuneliranja |
|---|---|---|
| Ge (germanij) | ~0,66 eV | Močno pri nizki napetosti |
| GaAs (galijev arzenid) | ~1,42 eV | Močan z dobrim nadzorom |
| Si (silicij) | ~1.12 eV | Običajno šibkejši |
Ekvivalentno vezje tunelske diode
| Element | Simbol | Predstavlja | Glavni učinek |
|---|---|---|---|
| Negativna upornost | −Ro | Naklon NDR blizu točke naklona | Omogoča ojačitev ali nihanje v pravih pogojih |
| Kapacitivnost spoja | Co | Kapacitivnost spoja (izčrpanosti) | Omejuje visokofrekvenčni odziv in vpliva na resonanco |
| Serijski upor | Rs | Notranje izgube | Zmanjša ostrino in zmanjša učinkovito zmogljivost |
| Serijska induktivnost | Ls | Induktivnost svinca/paketa | Premiki v resonanci lahko vplivajo na stabilnost |
Uporaba tunelskih diod
Mikrovalovni oscilatorji in generiranje RF signalov
S pristranskostjo v območju NDR in resonančnim omrežjem lahko tunelska dioda generira RF in mikrovalovne oscilacije.
Refleksivni ojačevalniki in RF sprednja vezja
Njegova negativna upornost se lahko združi z impedančnim omrežjem za ustvarjanje RF ojačitve v nizkoenergijskih sprednjih vezjih.
Relaksacijski oscilatorji in pulzni krogi
Regija NDR podpira hitro preklapljanje med delovnimi točkami, kar lahko ustvari pulzne in časovne valovne oblike.
Radar in dediščinska strojna oprema
Tunelske diode se še vedno pojavljajo v nekaterih starejših napravah, kjer je obnašanje naprave že dokazano in dobro dokumentirano.
Zaznavanje in pretvorba frekvence
V načinu z obratno diodo tunelska dioda zazna nizkonivojske RF signale pri nizki napetosti in podpira tudi frekvenčno pretvorbo.
Zaključek
Tunelske diode delujejo, ker močno dopiranje naredi spoj tako tanko, da kvantno tuneliranje postane glavna pot za tok. To vodi do dobro znane I–V krivulje vrhov in dolin ter območja negativnega diferencialnega upora. Te lastnosti naredijo tunelske diode uporabne za RF in mikrovalovne oscilatorje, zaznavanje majhnih signalov in hitre impulzne vezje. Imajo tudi omejitve, kot so nizka napetost in moč ter šibka vzvratna blokada.
Pogosto zastavljena vprašanja [Pogosta vprašanja]
Kaj nadzoruje razmerje Ip/Iv (vrh in dolina)?
Stopnja dopiranja, kakovost spoja (napake), pasovna vrzel materiala in temperatura.
Kako temperatura spremeni vedenje tunelske diode?
Premakne Vp, Ip in Iv ter oslabi območje NDR (pogosto zniža Ip/Iv), kar lahko premakne delovno točko in zmanjša stabilnost.
Kaj omejuje najvišjo praktično frekvenco tunelske diode?
Kapacitivnost spoja (Co), serijska upornost (Rs) in induktivnost paketa/vodila (Ls).
Ali je tunelska dioda lahko poškodovana zaradi nepravilnega polariziranja?
Da. Presežek naprej toka ali vzvratne napetosti lahko pregreje ali trajno poškoduje spoj in spremeni značilnosti I–V.
Zakaj tunelske diode niso pogoste v sodobnih zasnovah?
Visokofrekvenčni tranzistorji in RF IC-ji zagotavljajo boljši nadzor, večjo ojačitev, boljšo razširljivost in boljšo obvladljivost moči.
Kako se tunelska dioda razlikuje od obratne diode?
Obratna dioda je optimizirana za močno tuneliranje z obratno polarizacijo (pogosto za zaznavanje z ničelno polarizacijo), medtem ko se tunelska dioda uporablja za naprej NDR delovanje.
