Ang tunnel diode ay isang espesyal na uri ng diode na hindi kumikilos tulad ng isang normal. Dahil ito ay doped napakabigat, ang junction nito ay nagiging lubhang manipis, kaya ang mga electron ay maaaring lagusan sa pamamagitan nito kahit na sa mababang boltahe. Lumilikha ito ng isang kakaibang rehiyon na tinatawag na negatibong kaugalian paglaban, kung saan ang kasalukuyang ay maaaring bumaba kahit na ang boltahe ay tumataas.
Mga Pangunahing Kaalaman sa Tunnel Diode
Ang isang tunnel diode ay may dalawang terminal, tulad ng isang karaniwang diode. Ang dalawang dulo ay dapat na malinaw na nakilala dahil ang aparato ay maaaring kumilos nang naiiba mula sa isang karaniwang diode sa mga tiyak na saklaw ng boltahe.
Mga pangalan ng terminal
• Anode → p-type side
• Cathode → n-type side
Mga katotohanan sa terminal
• Sa pasulong na bias, ang maginoo na kasalukuyang dumadaloy mula sa anode → cathode.
• Mahalaga pa rin ang polarity, at ang mga tunnel diode ay maaari ring magsagawa ng reverse bias dahil sa tunneling.
• Sa maraming mga pisikal na pakete, ang cathode ay minarkahan ng isang banda o tuldok.
Istraktura at Quantum Tunneling sa isang Tunnel Diode
Sa isang pamantayang p-n junction, ang rehiyon ng pagkaubos ay sapat na malawak na ang mga carrier ay higit sa lahat ay tumatawid sa hadlang sa pamamagitan ng thermal injection. Ang isang tunnel diode ay binuo naiiba: parehong ang p side at ang n side ay napakabigat na doped, na pinipilit ang pagkaubos na rehiyon pababa sa ilang nanometers lamang. Sa gayong manipis na hadlang, ang mga electron ay maaaring dumaan dito sa pamamagitan ng quantum tunneling, kaya ang kapansin-pansin na kasalukuyang ay maaaring lumitaw sa napakababang boltahe ng pasulong.
Ano ang mabigat na pagbabago sa doping (sanhi → epekto)
• Ang mabigat na doping ay nagpapataas ng konsentrasyon ng carrier at nagpapaliit sa rehiyon ng pagkaubos.
• Ang isang mas manipis na rehiyon ng pagkaubos ay nangangahulugang isang mas manipis na hadlang sa enerhiya sa junction.
• Kapag ang hadlang ay sapat na manipis, ang mga carrier ay maaaring mag-tunnel sa pamamagitan nito sa halip na lumampas dito.
• Ito ay nagbibigay-daan sa mababang-boltahe pagpapadaloy at gumagawa ng junction pag-uugali malakas na nakasalalay sa geometry at materyal na mga parameter.
Ano ang kahulugan ng tunneling sa diode na ito
Sa isang normal na diode, ang isang carrier ay nangangailangan ng sapat na enerhiya upang lumampas sa hadlang. Sa isang tunnel diode, kahit na ang enerhiya ng carrier ay nasa ibaba ng barrier peak, maaari pa rin itong dumaan sa hadlang dahil sa quantum mechanics, sa kondisyon na may mga inookupahan na estado sa isang gilid na nakahanay sa mga walang laman na estado sa kabilang panig.
Praktikal na implikasyon ng disenyo
• Ang kapasidad ng junction ay karaniwang mas mataas dahil ang rehiyon ng pagkaubos ay lubhang manipis.
• Ang reverse blocking ay limitado, at ang reverse breakdown boltahe ay madalas na mas mababa kaysa sa karaniwang mga diode.
• Ang pagganap ay mas sensitibo sa pagkakaiba-iba ng proseso at temperatura, at ang pag-uugali ng mataas na dalas ay lubos na nakasalalay sa kapasidad ng junction at package / lead inductance.
Mabilis na paghahambing
| Aspeto | Pamantayan ng Diode | Tunnel Diode |
|---|---|---|
| Antas ng doping (karaniwang pagkakasunud-sunod) | ~10¹⁶–10¹⁸ cm⁻³ | ~10¹⁹–10²⁰ cm⁻³ |
| Kapal ng pagkaubos | Mas malawak | Napakakitid |
| Ang pangunahing paraan ng pagtawid ng mga carrier | Karamihan sa ibabaw ng hadlang | Karamihan sa pamamagitan ng hadlang (tunneling) |
| Baligtarin ang pagharang | Madalas na malakas | Madalas na limitado |
Enerhiya-Band View ng isang Tunnel Diode
Zero o Napakaliit na Bias
Sa zero bias, ang tunneling ay maaaring mangyari sa parehong direksyon dahil ang hadlang ay manipis. Ang net current ay nananatiling malapit sa zero dahil ang tunneling mula sa p→n ay balanse sa pamamagitan ng tunneling mula sa n→p.
Maliit na pasulong na bias: tumataas patungo sa rurok (ip sa vp)
Sa isang maliit na pasulong bias, ang mga banda ng enerhiya ay lumilipat upang ang mga napuno na estado sa isang gilid ay nakahanay sa mga walang laman na estado sa kabilang panig. Ang bilang ng mga magagamit na landas ng tunneling ay nagdaragdag, kaya ang kasalukuyang tumataas nang mabilis.
• Ang kasalukuyang ay umaabot sa peak kasalukuyang Ip sa peak boltahe Vp kapag ang pagkakahanay ay pinakamalakas.
Mas mataas na pasulong na bias: bumaba patungo sa lambak (iv sa vv)
Habang tumataas ang boltahe ng pasulong na lampas sa Vp, ang pagkakahanay ng banda ay nagiging mas mahina. Mas kaunting mga estado ang nakahanay, kaya lumiliit ang mga landas ng tunneling. Bumababa ang kasalukuyang tunneling kahit na tumataas ang boltahe.
• Ito ang rehiyon ng NDR, kung saan ang dI / dV < 0.
• Ang kasalukuyang ay bumaba sa lambak kasalukuyang Iv sa boltahe ng lambak Vv.
Kahit na Mas Mataas na Forward Bias: Ang Normal na Diode Conduction ay nangingibabaw
Sa sapat na mas mataas na forward bias, ang tunneling ay nagiging mahina dahil ang mga estado ay hindi na nakahanay nang maayos para sa tunneling. Ang maginoo na pasulong na pagpapadaloy (pagpapalaganap / iniksyon) ay nagiging nangingibabaw, at ang kasalukuyang tumataas muli sa boltahe.
Tunnel Diode I-V Curve at Mga Pangunahing Parameter
Ang isang tunnel diode ay may natatanging pasulong na I-V curve: ang kasalukuyang tumataas sa isang rurok, pagkatapos ay bumaba sa isang lambak, pagkatapos ay tumataas muli. Ang "drop habang boltahe rises" ay ang negatibong kaugalian paglaban (NDR) rehiyon.
Paano Basahin ang Curve (Mataas na Antas)
• 0 → Vp: ang mga landas ng tunneling ay nagdaragdag, ang kasalukuyang tumataas nang mabilis.
• Vp → Vv: bumababa ang mga landas ng tunneling, bumabagsak ang kasalukuyang (NDR).
• V > Vv: normal na diode conduction dominates, kasalukuyang tumataas muli.
Mga pangunahing punto sa curve
• Vp (Peak Boltahe): boltahe sa maximum na tunneling kasalukuyang punto
• IP (Peak Current): maximum na pasulong na tunneling kasalukuyang
● Vv (Valley Voltage): boltahe sa minimum na punto pagkatapos ng pagbagsak
• Iv (Valley Current): minimum na kasalukuyang bago ang normal na pagpapadaloy ay tumaas nang malakas
• Ip / IV (Peak-to-valley ratio): nagpapahiwatig kung gaano binibigkas ang pag-uugali ng NDR
Pasulong na Mga Rehiyon ng Pagpapatakbo at Mga Tala ng Bias
Rehiyon A: Mababang-boltahe tunneling (sa paligid ng 0 sa Vp)
• Gamitin kapag nais mo ang pag-uugali ng pagpapadaloy ng mababang boltahe na pinangungunahan ng tunneling.
• Panatilihing maliit ang layout parasitics kung ang signal ay mabilis o RF.
Rehiyon B: NDR Window (Vp hanggang Vv)
• Ito ang rehiyon na ginagamit para sa mga oscillator at negatibong paglaban RF circuit.
• Bias sa isang matatag na operating point sa loob ng window ng NDR, hindi mismo sa mga gilid.
• Gumamit ng isang bias network na pumipigil sa runaway o hindi kanais-nais na paglukso sa pagitan ng mga operating point.
• I-minimize ang idinagdag na paglaban ng serye kung saan kailangan mo ng malakas na pag-uugali ng NDR, dahil ang paglaban ng serye ay binabawasan ang epektibong negatibong paglaban.
Rehiyon C: Normal na Pasulong na Pagpapadaloy (sa itaas ng Vv)
• Tratuhin ito nang higit pa tulad ng isang maginoo na rehiyon ng diode (ang kasalukuyang tumataas sa boltahe).
• Ang mga epekto ng NDR ay hindi na nangingibabaw, kaya hindi ito ang rehiyon para sa operasyon ng negatibong paglaban.
Mabilis na mga tseke ng bias (mabilis na listahan ng katinuan)
• I-verify ang inilaan na bias point laban sa data ng I-V ng aparato (Ip, Vp, Iv, Vv).
• Suriin ang temperatura drift: Ang Vp / IP / Iv shift ay maaaring ilipat ang operating point.
• Suriin ang mga parasitiko: Ang Co at package inductance ay maaaring baguhin ang hugis ng maliwanag na I-V sa mataas na dalas.
• Kumpirmahin ang katatagan sa nakapalibot na network (lalo na sa operasyon ng NDR).
Reverse Bias at Backward-Diode Mode
Ang isang tunnel diode ay maaaring magsagawa ng kapansin-pansin na kasalukuyang kahit na sa reverse bias dahil ang rehiyon ng pagkaubos nito ay marupok. Kapag ang isang maliit na baligtad na boltahe ay inilapat, ang mga antas ng enerhiya ay maaaring pumila up, na nagpapahintulot sa mga carrier na mag-tunnel sa kabaligtaran na direksyon. Ang reverse conduction na ito sa mababang boltahe ay madalas na tinatawag na backward diode mode.
Ano ang hitsura ng reverse tunneling
• Ang isang maliit na baligtad na boltahe ay nagbabago ng pagkakahanay ng enerhiya kaya ang tunneling ay nangyayari sa kabaligtaran na direksyon.
• Maaaring suportahan ng reverse tunneling: Mababang antas ng pagtuklas ng RF. Paghahalo o dalas ng conversion (sa ilang mga pag-setup ng circuit)
Bakit hindi ito ginagamit bilang power rectifier
• Ang reverse conduction ay maaaring magsimula sa mababang reverse boltahe, kaya limitado ang reverse block.
• Ang paghawak ng reverse boltahe ay karaniwang mas mababa kaysa sa maraming mga diode ng kuryente.
Mga Materyales sa Tunnel Diode at IP / IV
| Materyal | Bandgap (tinatayang) | Pagkahilig sa tunneling |
|---|---|---|
| Ge (Germanium) | ~0.66 eV | Malakas sa mababang boltahe |
| GaAs (Gallium Arsenide) | ~ 1.42 eV | Malakas na may mahusay na kontrol |
| Si (silikon) | ~ 1.12 eV | Karaniwan ay mas mahina |
Tunnel Diode Katumbas na Circuit
| Elemento | Simbolo | Kumakatawan sa | Pangunahing epekto |
|---|---|---|---|
| Negatibong paglaban | −Ro | NDR slope malapit sa bias point | Pinapayagan ang pakinabang o oscillation sa tamang mga kondisyon |
| Kapasidad ng junction | Co | Kapasidad ng Junction (pagkaubos) | Nililimitahan ang tugon na may mataas na dalas at nakakaapekto sa resonance |
| Serye ng paglaban | Rs | Panloob na pagkalugi | Binabawasan ang talas at binabawasan ang epektibong pagganap |
| Serye ng inductance | Ls | Lead / package inductance | Ang mga pagbabago sa resonance ay maaaring makaapekto sa katatagan |
Mga Application ng Tunnel Diode
Microwave Oscillator at RF Signal Generation
Sa pamamagitan ng bias sa rehiyon ng NDR at isang resonant network, ang isang tunnel diode ay maaaring makabuo ng RF at microwave oscillations.
Reflection Amplifiers at RF Front-End Circuits
Ang negatibong paglaban nito ay maaaring pagsamahin sa isang impedance network upang makabuo ng RF gain sa low-power front-end circuits.
Relaxation Oscillator at Pulse Circuits
Sinusuportahan ng rehiyon ng NDR ang mabilis na paglipat sa pagitan ng mga operating point, na maaaring lumikha ng mga waveform ng pulso at tiyempo.
Radar at Legacy Hardware
Lumilitaw pa rin ang mga tunnel diode sa ilang mas lumang kagamitan, kung saan ang pag-uugali ng aparato ay napatunayan na at mahusay na dokumentado.
Pagtuklas at Dalas ng Conversion
Sa backward-diode mode, ang isang tunnel diode ay maaaring makita ang mababang antas ng RF signal sa mababang boltahe at maaari ring suportahan ang frequency conversion.
Konklusyon
Gumagana ang mga tunnel diode dahil ang mabigat na doping ay ginagawang napakanipis ng junction na ang quantum tunneling ay nagiging isang pangunahing landas para sa kasalukuyang. Ito ay humahantong sa kilalang peak-and-valley I-V curve at ang negatibong kaugalian paglaban rehiyon. Ang mga tampok na iyon ay ginagawang kapaki-pakinabang ang mga tunnel diode para sa RF at microwave oscillators, pagtuklas ng maliit na signal, at mabilis na mga circuit ng pulso. Mayroon din silang mga limitasyon, tulad ng mababang boltahe at paghawak ng kuryente at mahinang reverse blocking.
Mga Madalas Itanong [FAQ]
Ano ang kumokontrol sa ratio ng IP / IV (peak-to-valley)?
Antas ng doping, kalidad ng junction (mga depekto), materyal na bandgap, at temperatura.
Paano binabago ng temperatura ang pag-uugali ng tunnel diode?
Inililipat nito ang Vp, Ip, at Iv at pinapahina ang rehiyon ng NDR (madalas na nagpapababa ng Ip / Iv), na maaaring ilipat ang operating point at mabawasan ang katatagan.
Ano ang naglilimita sa pinakamataas na praktikal na dalas ng isang tunnel diode?
Junction capacitance (Co), serye ng paglaban (Rs), at package / lead inductance (Ls).
Maaari bang masira ang isang tunnel diode dahil sa hindi wastong biasing?
Oo. Ang labis na pasulong na kasalukuyang o baligtad na boltahe ay maaaring mag-overheat o permanenteng makapinsala sa junction at baguhin ang mga katangian ng I-V.
Bakit hindi karaniwan ang mga tunnel diode sa mga modernong disenyo?
Ang mga high-frequency transistor at RF IC ay nagbibigay ng mas mahusay na kontrol, mas mataas na pakinabang, pinahusay na scalability, at mas mahusay na paghawak ng kuryente.
Paano naiiba ang isang tunnel diode mula sa isang paatras na diode?
Ang isang paatras na diode ay na-optimize para sa malakas na reverse-bias tunneling (madalas para sa zero-bias detection), habang ang isang tunnel diode ay ginagamit para sa pasulong na operasyon ng NDR.
