Alagútdióda - Tunnel diode
 1N3716 alagútdióda (0,1 hüvelykes áthidalóval )
| |
| típus | Passzív |
|---|---|
| Működési elv | Kvantummechanikai hatás, az úgynevezett alagút |
| Feltalált |
Leo Esaki Yuriko Kurose Takashi Suzuki |
| Első gyártás | Sony |
| PIN konfiguráció | anód és katód |
| Elektronikus szimbólum | |
 | |
Egy alagút diódával vagy Esaki dióda egy olyan típusú félvezető dióda , amely hatékonyan „ negatív ellenállás ” miatt a kvantummechanikai hatást nevezik tunneling . Leo Esaki , Yuriko Kurose és Takashi Suzuki találták ki 1957 augusztusában , amikor a tokiói Tsushin Kogyóban (ma Sony néven) dolgoztak . 1973-ban Esaki Brian Josephsonszal közösen megkapta a fizikai Nobel-díjat , amiért felfedezte az e diódákban használt elektronalagút hatást. Robert Noyce függetlenül kitalálta az alagútdióda ötletét, miközben William Shockley-nél dolgozott , de nem volt hajlandó folytatni. Az alagútdiódákat először a Sony gyártotta 1957-ben, majd a General Electric és más cégek körülbelül 1960-tól követték , és ma is kis mennyiségben készülnek.
Az alagútdiódák erősen adalékolt pozitív-negatív (PN) csomópontja körülbelül 10 nm (100 Å ) széles. A nehéz dopping eredményez törött sávú , ahol vezetési sávban elektron Államok az N-oldali többé-kevésbé igazodik vegyértéksáv lyuk Államok a P-oldalon. Általában germániumból készülnek , de készíthetők gallium-arsenidből és szilíciumból is .
Használ
Az „negatív” differenciális ellenállás is részben működési tartomány lehetővé teszi számukra, hogy funkcionálnak oszcillátorok és erősítők és kapcsolóáramkörökről segítségével hiszterézis . Frekvenciaváltóként és detektorokként is használják őket . Alacsony kapacitásuk lehetővé teszi, hogy mikrohullámú frekvenciákon működjenek , messze meghaladva a szokásos diódák és tranzisztorok tartományát .
Alacsony kimeneti teljesítményük miatt az alagútdiódákat nem használják széles körben: RF- kimenetük kis feszültségingadozásuk miatt néhány száz millivattra korlátozódik. Az elmúlt években azonban új eszközöket fejlesztettek ki, amelyek alagútmechanizmust használnak. A rezonáns-alagút-dióda (RTD) eléri a szilárdtest- oszcillátorok közül a legmagasabb frekvenciákat .
Egy másik típusú alagút diódával egy fém-szigetelő-szigetelő-fém (MIIM) dióda, ahol egy további szigetelő réteg lehetővé teszi a „ lépés tunneling ” pontosabb irányítást a dióda. Van egy fém – szigetelő – fém (MIM) dióda is, de a benne rejlő érzékenység miatt a jelenlegi alkalmazása a kutatási környezetekre korlátozódik.
Előre torzítás művelet
Normális előrehaladás esetén , amikor a feszültség növekszik, az elektronok az alagútban átjutnak a nagyon keskeny PN elágazási sorompón, és kitöltik az N-oldalon lévő vezetési sávban lévő elektronállapotokat, amelyek igazodnak a P-oldali üres vegyérték sáv furatokhoz. a PN csomópont. Ahogy a feszültség tovább növekszik, ezek az állapotok egyre rosszabb helyzetbe kerülnek, és az áram csökken. Ezt negatív differenciális ellenállásnak nevezzük, mert az áram a feszültség növekedésével csökken . Amint a feszültség egy fix átmeneti ponton túl növekszik, a dióda normál diódaként kezd működni, ahol az elektronok vezetőképességgel haladnak át a PN csomóponton, és már nem a P – N elágazási sorompón át vezetve alagutat. Az alagútdióda legfontosabb működési területe a "negatív ellenállás" régió. Grafikonja eltér a normál PN csatlakozási diódától.
Fordított torzítás
Ha használt az ellenkező irányba, alagútdióda hívják vissza diódák (vagy hátra diódák ), és működhet a gyors egyenirányítók nullpontofszet feszültség és a szélsőséges linearitást hatalmi jelek (ezek pontos négyzetes törvény jellemző a fordított irányban). A fordított torzítás alatt a P-oldal kitöltött állapotai egyre inkább az N-oldali üres állapotokhoz igazodnak, és az elektronok most ellentétes irányban alagutak a PN-csatlakozási sorompón.
Műszaki összehasonlítások
Egy hagyományos félvezető diódában a vezetés akkor megy végbe, amikor a PN csomópont előre van előfeszítve, és blokkolja az áram áramlását, ha a csomópont fordított előfeszített. Ez a "fordított megszakítási feszültségnek" nevezett pontig történik, amikor a vezetés megkezdődik (gyakran a készülék megsemmisülésével jár). Az alagútdiódában az adalék koncentrációja a P és N rétegekben olyan szintre emelkedik, hogy a fordított megszakítási feszültség nulla lesz, és a dióda fordított irányban vezet. Előre torzítva azonban egy olyan hatás lép fel, amelyet kvantummechanikus alagútnak nevezünk, amely egy olyan régiót eredményez a feszültsége és az áram viselkedése között, ahol az előremenő feszültség növekedése az előremenő áram csökkenésével jár . Ez a " negatív ellenállás " régió kihasználható a dynatron oszcillátor szilárd állapotú változatában, amely általában tetródos termionos szelepet ( vákuumcsövet ) használ .
Alkalmazások
Az alagútdióda nagy ígéretet mutatott oszcillátorként és nagyfrekvenciás küszöb (kiváltó) eszközként, mivel sokkal nagyobb frekvenciákon működött, mint amit a tetród képes volt: a mikrohullámú sávokba is. Az alagútdiódák alkalmazásába tartoztak az UHF televíziós tunerekhez tartozó helyi oszcillátorok , az oszcilloszkópok trigger-áramkörei, a nagysebességű számláló áramkörök és a nagyon gyorsan emelkedő impulzusgenerátor áramkörök. 1977-ben az Intelsat V műholdvevő egy mikrosávos alagút-diódaerősítőt (TDA) használt a 14–15,5 GHz frekvenciasávban. Az ilyen erősítőket a legkorszerűbbnek tekintették, jobb teljesítményt nyújtanak magas frekvenciákon, mint bármely tranzisztor alapú elülső rész. Az alagútdióda alacsony zajszintű mikrohullámú erősítőként is használható. Felfedezése óta a hagyományosabb félvezető eszközök a hagyományos oszcillátoros technikákkal meghaladták teljesítményét. Sok célból egy három terminálos eszköz, például egy terepi tranzisztor rugalmasabb, mint egy csak két terminállal rendelkező eszköz. A praktikus alagútdiódák néhány milliamper és néhány tized volt feszültség mellett működnek, így alacsony fogyasztású eszközökké válnak. A Gunn dióda hasonló nagyfrekvenciás képességgel rendelkezik, és több energiát képes kezelni.
Az alagútdiódák ellenállóbbak az ionizáló sugárzással szemben, mint más diódák. Ez kiválóan alkalmas a magasabb sugárzási környezetekhez, például az űrben.
Hosszú élet
Az alagútdiódák hajlamosak a túlmelegedés által okozott károkra, ezért forrasztásuk során különös gondosságra van szükség.
Az alagútdiódák figyelemre méltóak hosszú élettartamuk miatt, az 1960-as években gyártott eszközök továbbra is működnek. A Writing in Nature , Esaki és társszerzői kijelentik, hogy a félvezető eszközök általában rendkívül stabilak, és azt javasolják, hogy eltarthatóságuknak "végtelennek" kell lennie, ha szobahőmérsékleten tartják . Továbbá beszámolnak arról, hogy egy 50 éves készülékek kisméretű tesztje "örvendetes megerősítést adott a dióda hosszú élettartamáról". Amint az Esaki diódák néhány mintáján észrevették, az aranyozott vascsapok valóban korrodálódhatnak és rövidre záródhatnak az esethez. Ezt általában egyszerű peroxid / ecet technikával lehet diagnosztizálni és kezelni, amelyet általában a telefonos PCB-k javításához használnak, és a belső dióda általában még mindig működik.
A felesleges orosz alkatrészek szintén megbízhatóak, és gyakran megvásárolhatók néhány fillérért, annak ellenére, hogy az eredeti költségek 30–50 font közé esnek. A tipikusan értékesített egységek GaAs alapúak, és az I pk ⁄ I v arány 5: 1 kb. 1–20 mA I pk körül , ezért védeni kell őket a túláram ellen.