Oletko koskaan miettinyt, miten elektroniset komponentit, jotka mahdollistavat suurnopeuslaitteiden tehtävien suorittamisen millisekunneissa, toimivat? Vastaus saattaa löytyä yhdestä modernin elektroniikan erikoisimmista ja kiehtovimmista elementeistä: tunnelidiodi, tunnetaan myös nimellä Esaki-diodiTämä laite, vaikka se on harvinaisempi perinteisessä elektroniikassa, on ainutlaatuisten ominaisuuksiensa ansiosta avainasemassa suurtaajuisissa ja suurnopeussovelluksissa.
Tässä artikkelissa perehdymme tunnelidiodeihin, niiden alkuperään, kvanttitoimintaan, materiaaleihin, joista ne on valmistettu, niiden erityisiin sähköisiin ominaisuuksiin, etuihin ja rajoituksiin sekä nykyisiin sovelluksiin. Tarkastelemme myös tiettyjä malleja, kuten 1N3716 tai 1N3755Valmistaudu selvittämään, miksi tämä pieni komponentti mullisti alan ja miten se rajoituksistaan huolimatta on edelleen olennainen huipputeknologioissa.
Mikä on tunneli- eli Esaki-diodi?
El tunnelidiodi, kutsutaan myös Esaki-diodi Keksijänsä Leo Esakin mukaan nimetty diodi, jolle myönnettiin Nobelin fysiikanpalkinto vuonna 1973, on erityinen puolijohdediodityyppi, jolle on ominaista sen voimakkaasti seostettu PN-liitos ja kapea. Tämä voimakas doping mahdollistaa kvanttimekaanisen ilmiön, joka tunnetaan nimellä tunneliefekti, jossa varauksenkuljettajat ylittävät potentiaalivallin, vaikka klassisten lakien mukaan niiden ei pitäisi tehdä niin.
Verrattuna standardisignaalidiodeihin, joiden PN-liitoksessa on huomattavasti alhaisempi epäpuhtauspitoisuus (noin 1 osa 10:stä8), tunnelidiodi vie dopingin äärimmäisille tasoille, noin 1 osa 10:stä3Tämä tuottaa erittäin kapea ehtymis- tai köyhtymisalue, mikä on avain tunneliefektin ilmentymiseen.
Toimintaperiaate: Kvanttitunnelointivaikutus
Toiminta a tunnelidiodi Se perustuu kvanttimekaniikkaan, jossa on äärellinen todennäköisyys sille, että elektronit, vaikka niillä ei klassisesta näkökulmasta katsottuna olekaan tarpeeksi energiaa potentiaalivallin ylittämiseen, voivat kulkea sen läpi ikään kuin ne "tunneloisivat" sen läpi. tunnelointitodennäköisyys mitä matalampi este on, sitä suurempi on seosaineiden korkea pitoisuus diodin PN-liitoksessa.
Matemaattisesti hiukkasen esteen ylityksen todennäköisyys P riippuu eksponentiaalisesti sekä esteenergia (Eb) hänen aikanaan leveys (L):
P α exp(-A × Eb × W)
Jossa A on materiaalin ominaisuuksiin liittyvä vakio. Olennaista on, että tunnelidiodissa tämä este on niin ohut, että jopa teoreettista alhaisempi energia riittää elektronien ylittämiseen.
Rakenne ja materiaalit: Piin tuolla puolen
Toisin kuin perinteiset piidiodit, tunnelidiodit Ne on yleensä valmistettu germanium, galliumarsenidi o galliumantimonidiPiitä ei käytetä, koska edellä mainitut materiaalit mahdollistavat paremman suhteen maksimivirran (huippuvirta) ja minimivirran (laaksovirta) välillä, mikä on olennaista komponentin käytännön sovelluksissa. Normaalissa PN-liitoksessa on huomattavan paksu ehtymisalue; tunnelidiodissa tämä alue on jopa 100 kertaa kapeampi, noin 10 nanometriä.
La korkea epäpuhtauspitoisuus PN-liitoksen molemmin puolin tarkoittaa, että suurin osa varauksenkuljettajista (elektroneista ja aukoista) on läsnä suurina määrinä, mikä edistää tunnelointivaikutusta jopa hyvin pienillä potentiaalieroilla. Tämän seurauksena siitä tulee erittäin herkkä laite, joka soveltuu erittäin nopeaan kytkemiseen.
Sähköiset ominaisuudet: Negatiivinen resistanssi ja VI-käyrät
Yksi silmiinpistävimmät ominaisuudet tunnelidiodista on se, että se näyttää negatiivinen vastus osassa sen jännite-virta (VI) -ominaiskäyrää. Tämä tarkoittaa, että kun eteenpäin suuntautuva jännite kasvaa, virta kasvaa ensin nopeasti, kunnes se saavuttaa maksimin (huippupisteen), mutta sitten, jos jännite kasvaa edelleen, virta pienenee minimiin (laaksopiste) ja sitten kasvaa jälleen kuten perinteisessä diodissa.
Tämä ilmiö, negatiivinen vastustusalue, on perusta monille tunnelidiodisovelluksille, kuten korkeataajuisten värähtelyjen generoinnille. Ominaiskäyrä voidaan tiivistää seuraaviin keskeisiin kohtiin:
- Alkuperäinen johtavuusvyöhyke: virta kasvaa tasajännitteen kasvaessa.
- Huippupiste: maksimivirta (Ip) ja siihen liittyvä jännite (Vp).
- Negatiivisen resistanssin vyöhyke: virta pienenee, vaikka jännite kasvaisi, kunnes se saavuttaa laakson pisteen.
- Laaksopiste: pienin virta (Iv) ja laaksojännite (Vv).
- Tästä eteenpäin toiminta on samanlaista kuin tavallisella diodilla.
Käänteisessä harhassa tunnelidiodi Sillä on myös merkittävä johtavuus tunneliefektin ansiosta, mikä mahdollistaa suuren vastavirran kiertämisen jopa matalilla jännitteillä.
Sähköinen symboli ja vastaava piiri
El symboliikka Tunnelidiodin esitys sähkökaavioissa voi hieman vaihdella, mutta pohjimmiltaan se esittää PN-liitosta, jolla on tunnusomainen muoto, joka osoittaa sen erityiskäyttäytymisen. Anodi (P) ja katodi (N) ovat selvästi erillään toisistaan.
Varten piirianalyysikäytetään piensignaaliekvivalenttimallia, joka sisältää:
- Una negatiivinen vastus (-Ro) liittyy negatiivisen resistanssin alueeseen.
- Una sarjainduktanssi (Ls) diodin napojen yli.
- Una liitoskapasitanssi (C).
Tämä elementtien yhdistelmä heijastaa tunnelidiodin käyttäytymistä korkeataajuussovelluksissa ja on välttämätön sen vasteen ennustamiseksi erilaisissa olosuhteissa.
Tunnelidiodien tärkeimmät sovellukset
Hänen takia poikkeuksellinen kyky muuttaa ajoasentoaan nopeasti, tunnelidiodi on erityisesti tarkoitettu:
- Mikroaalto- ja korkeataajuusoskillaattoritNe hyödyntävät negatiivisen resistanssin vyöhykettä luodakseen ja ylläpitääkseen vakaita sähköisiä värähtelyjä, jotka ovat olennaisia televiestinnässä, tutkissa ja langattomissa järjestelmissä.
- Heijastusvahvistimet: käytetään kokoonpanoissa, joissa vahvistusta tarvitaan taajuuksilla, joilla perinteiset transistorit eivät toimi hyvin.
- Suurnopeuskytkimetlähes välittömän siirtymisensä ansiosta ajon ja ei-ajon välillä.
- Convertidores de frecuenciaSen kyky toimia sekä myötä- että vastasuuntaisella esijännitteellä mahdollistaa sen käytön signaalisekoittimissa.
- Loogiset muistit digitaalisissa piireissä: sen vakautta negatiivisen resistanssin vyöhykkeellä käytetään tiedon tilapäiseen tallentamiseen.
Vaikka ne tarjoavat etuja korkeataajuuksilla, eivät sovellu tavanomaiseen tasasuuntaukseen merkittävän käänteisen esijännitevuotovirran vuoksi, mikä rajoittaa sen laajaa käyttöä.
Tunnelidiodin edut ja haitat
El tunnelidiodi Sillä on ainutlaatuisia ominaisuuksia, joilla on etuja ja haittoja, jotka tulisi ottaa huomioon. Sen hyötyjen joukossa on erittäin nopea käyttönopeus y matala ääniSillä on kuitenkin myös rajoituksia, kuten alhainen maksimiteho ja käyttöjännitteen rajoitukset.
- Etu:
- Erittäin nopea käyttönopeus, soveltuu kytkemiseen ja signaalin generointiin mikroaaltoalueilla.
- Alhaiset valmistuskustannukset ja rakenteellinen yksinkertaisuus verrattuna muihin korkeataajuuslaitteisiin.
- Matala melutaso operaation aikana.
- Hyvä ympäristönkestävyys ja pitkä käyttöikä vankan rakenteensa ansiosta.
- Haitat:
- Alhainen maksimiteho, mikä tekee siitä sopimattoman energiaintensiivisiin sovelluksiin.
- Rajoitetut jännitelähdöt ja lähtösignaalin vaihtelut.
- Tulon ja lähdön välillä ei ole eristystä koska se on kaksipäätteinen laite.
- Vaikeus laajamittaisessa tuotannossa ja rajoituksia joissakin vakiosovelluksissa.
Mallit ja esimerkit: Tunnelidiodit 1N3716 ja 1N3755
Historiallisista ja käytetyimmistä malleista tunnelidiodit erottua 1N3716 y 1N3755, suosittu mikroaaltolaboratorioissa, tietoliikenneasemilla ja prototyyppien suunnittelussa. Molemmille on ominaista erittäin korkeiden toimintataajuuksien salliminen ja tehokas reagointi negatiivisen resistanssin alueilla. Tietyntyyppisten diodien, kuten Schottky-diodien, tuntemus voi täydentää näiden laitteiden ymmärrystä tietyissä yhteyksissä.
El 1N3716 Se esittää tunnelidiodeille tyypillisen ominaiskäyrän, jossa on suhteellisen alhainen huippujännite ja optimaalinen vasteaika mikroaaltosovelluksiin ja nopeaan kytkemiseen. 1N3755 Se tarjoaa samankaltaisia ominaisuuksia, mutta vaihtelee yksityiskohdissa, kuten käyttöjännitteessä ja virta-alueella, mikä mahdollistaa sen käytön tietyissä korkeataajuisissa elektroniikkakokoonpanoissa.
Vertailu muuntyyppisiin diodeihin
Diodien maailmassa on laaja valikoima muunnelmia, kuten signaalidiodeja, zenerdiodeja, schottkydiodeja tai tasasuuntausdiodeja. tunnelidiodi Se erottuu pääasiassa seuraavien ominaisuuksien perusteella:
- Ei ole hyödyllinen oikaisussa suuren vastasuuntaisen esivuotovirran vuoksi.
- Pystyy vaihtamaan tilaa paljon nopeammin kuin Schottky tai muut suurnopeusdiodit.
- Näytä alue erittäin voimakasta negatiivista vastustusta (ei ole olemassa muissa tavallisissa diodeissa).
- Vaatia erityismateriaalit ja doping optimaalisen toiminnan takaamiseksi, toisin kuin tavallisen diodin pii.
Näiden ominaisuuksien ansiosta tunnelidiodi on erikoistunut markkinarakoihin, joissa muut laitteet eivät voi kilpailla, vaikka sen käyttö kulutuselektroniikassa onkin rajallista.
Yksityiskohtainen toiminta: Syklin VI vaiheet
Sen käyttäytymisen ymmärtämiseksi on tärkeää analysoida sen ominaiskäyrän jokainen vaihe:
- Soveltamalla pientä tasajännitettä, varauksenkuljettajat kulkevat liitoksen läpi tunneliefektin ansiosta, mikä tuottaa pienemmän virran.
- Jännitteen kasvaessa, valenssi- ja johtavuusvyöhykkeet menevät päällekkäin, mikä aiheuttaa virran nopean kasvun huippupisteeseen asti.
- Huipun jälkeen, kaistojen virheellinen kohdistus vähentää tunnelointia, mikä pienentää virtaa laakson pisteeseen.
- Jännitteiden jatkaessa kasvamistaan, käyttäytyminen muistuttaa tavanomaista liitosta ja virta nousee jälleen.
- Käänteisen esijännityksen alaisenatunneliefekti sallii edelleen merkittävän virran, vaikka suurin vastajännite on yleensä alhainen.
Käyttöolosuhteet ja käyttörajoitukset
El tunnelidiodi kestää suhteellisen korkeita tasajännitteitä, joidenkin mallien ollessa jopa 500 V, mutta sen suurin vastajännite (PIV) Se on yleensä matala, yleisimmissä esimerkeissä noin 40 V. On tärkeää pitää tämä rajoitus mielessä vaurioiden välttämiseksi.
Suhde välillä huippuvirta ja laakson virtaus Se on keskeinen parametri oikean mallin valinnassa, erityisesti oskillaattori- ja vahvistinsovelluksissa, joissa vaaditaan vakautta ja signaalin amplitudia negatiivisen resistanssin alueella.
Tunnelidiodin käyttö arkipäivän tilanteissa
Rajoitetusta käytöstään huolimatta, tunnelidiodit sijaitsevat:
- Mikroaaltouunissa käytettävät viestintälaitteet.
- Korkean taajuuden mittarit.
- Signaalilähteet elektronisen fysiikan laboratorioissa.
- Tutkajärjestelmät, jotka vaativat nanosekunnin vasteita.
Uusien teknologioiden ja materiaalien käyttöönotosta huolimatta niiden nopeus ja luotettavuus pitävät ne ajankohtaisina tietyillä erikoisaloilla.
