Tunelska dioda je posebna vrsta diode koja se ne ponaša kao normalna. Zato što je veoma teško dopiran, njegov spoj postaje izuzetno tanak, tako da elektroni mogu tunelirati kroz njega čak i pri niskom naponu. Ovo stvara čudan region koji se zove negativni diferencijalni otpor, gde struja može da padne čak i dok napon raste.
Osnove tunelske diode
Tunelska dioda ima dva terminala, kao standardna dioda. Dva kraja moraju biti jasno identifikovani, jer uređaj može da se ponaša drugačije od standardne diode preko određenih opsega napona.
Nazivi terminala
• Anoda → strani p-tipa
• Katoda → n-tip strana
Terminalne činjenice
• U naprednoj pristrasnosti, konvencionalna struja teče od anode → katode.
• Polaritet je i dalje važan, a tunelske diode takođe mogu da se ponašaju u obrnutoj pristrasnosti zbog tuneliranja.
• Na mnogim fizičkim pakovanjima, katoda je označena trakom ili tačkom.
Struktura i kvantno tuneliranje u tunelskoj diodi
U standardnom p-n spoju, iscrpljivanje region je dovoljno širok da nosioci uglavnom prelaze barijeru termičkim ubrizgavanjem. Tunelska dioda je izgrađena drugačije: i p strana i n strana su veoma jako dopirani, što stisne područje iscrpljenosti na samo nekoliko nanometara. Sa takvom tankom barijerom, elektroni mogu proći kroz nju kvantnim tuneliranjem, tako da se primetna struja može pojaviti na veoma niskom naponu.
Koje su teške doping promene (uzrok → efekat)
• Teški doping podiže koncentraciju nosača i sužava područje osiromašenja.
• Tanji deo iscrpljivanja znači tanju energetsku barijeru u raskrsnici.
• Kada je barijera dovoljno tanka, nosači mogu tunel kroz nju umesto da idu preko nje.
• Ovo omogućava niskonaponsku provodljivost i čini ponašanje spoja snažno zavisnim od geometrije i parametara materijala.
Šta znači tuneliranje u ovoj diodi
U normalnoj diodi, nosaču je potrebno dovoljno energije da pređe preko barijere. U tunelskoj diodi, čak i kada je energija nosača ispod vrha barijere, ona i dalje može proći kroz barijeru zbog kvantne mehanike, pod uslovom da postoje okupirana stanja na jednoj strani usklađena sa praznim stanjima na drugoj strani.
Praktične implikacije dizajna
• Kapacitet spoja je obično veći jer je područje iscrpljivanja izuzetno tanko.
• Obrnuto blokiranje je ograničeno, a napon obrnutog probijanja je često niži nego kod standardnih dioda.
• Performanse su osetljivije na varijacije procesa i temperaturu, a ponašanje visoke frekvencije snažno zavisi od kapaciteta spoja i induktivnosti paketa / olova.
Brzo poređenje
| Aspekt | Standardna dioda | Tunelska dioda |
|---|---|---|
| Nivo dopinga (tipičan redosled) | ~10¹⁶–10¹⁸ cm⁻³ | ~10¹⁹–10²⁰ cm⁻³ |
| Debljina osiromašenja | Šire | Veoma uzak |
| Glavni način na koji prevoznici prelaze | Uglavnom preko barijere | Uglavnom kroz barijeru (tuneliranje) |
| Obrnuto blokiranje | Često jak | Često ograničeno |
Energetski opseg pogled na tunelsku diodu
Nula ili vrlo mala pristrasnost
Na nultoj pristrasnosti, tuneliranje se može javiti u oba smera jer je barijera tanka. Neto struja ostaje blizu nule, jer tuneliranje od p→n je uravnoteženo tuneliranjem od n→p.
Mala napredna pristrasnost: Raste prema vrhuncu (IP na VP)
Sa malom pristrasnošću napred, energetski pojasevi se pomeraju tako da se ispunjena stanja na jednoj strani poravnaju sa praznim državama na drugoj. Broj dostupnih tunelskih puteva se povećava, tako da struja brzo raste.
• Struja dostiže vršnu struju Ip pri vršnom naponu Vp kada je poravnanje najjače.
Viši napred pristrasnost: Pad prema dolini (IV u Vv)
Kako se napredni napon povećava iznad Vp, poravnanje opsega postaje lošije. Manje država se postrojava, tako da se tunelske staze smanjuju. Tunelska struja se smanjuje iako se napon povećava.
• Ovo je NDR region, gde dI/dV < 0.
• Struja pada na dolinsku struju Iv na naponu doline Vv.
Još veća pristrasnost: Dominira normalna diodna provodljivost
Na dovoljno većem napred pristrasnosti, tuneliranje postaje slabo jer države više ne poravnaju dobro za tuneliranje. Konvencionalna napred provodljivost (difuzija / ubrizgavanje) postaje dominantna, a struja ponovo raste sa naponom.
Tunelska dioda I–V kriva i ključni parametri
Tunelska dioda ima prepoznatljivu naprednu I-V krivu: struja raste do vrha, zatim pada u dolinu, a zatim ponovo raste. "Pad dok napon raste" je negativni diferencijalni otpor (NDR) region.
Kako čitati krivu (na visokom nivou)
• 0 → Vp: tunelske staze se povećavaju, struja brzo raste.
• Vp → Vv: tunelski putevi se smanjuju, struja pada (NDR).
• V > Vv: normalna diodna provodljivost dominira, struja ponovo raste.
Ključne tačke na krivoj
• Vp (Peak Voltage): napon na maksimalnoj tački struje tuneliranja
• Ip (Peak Current): maksimalna struja tuneliranja
• Vv (Vallei Voltage): napon na minimalnoj tački nakon pada
• Iv (Valley Current): minimalna struja pre nego što normalna provodljivost snažno poraste
• Ip/Iv (Peak-to-valley ratio): pokazuje koliko je izraženo ponašanje NDR
KSNUMKS. Forvard operativni regioni i beleške o pristrasnosti
Region A: Tuneliranje niskog napona (oko 0 do VP)
• Koristite kada želite niskonaponsko ponašanje provodljivosti dominira tuneliranjem.
• Držite raspored paraziti mali ako je signal brz ili RF.
Region B: NDR prozor (Vp do Vv)
• Ovo je region koji se koristi za oscilatore i RF kola negativnog otpora.
• Pristranost na stabilnoj radnoj tački unutar NDR prozora, a ne tačno na ivicama.
• Koristite mrežu pristrasnosti koja sprečava odbegle ili neželjene skokove između operativnih tačaka.
• Minimizirajte dodatni serijski otpor tamo gde vam je potrebno snažno ponašanje NDR, jer serijski otpor smanjuje efektivni negativni otpor.
Region C: Normalna napredna provodljivost (iznad Vv)
• Tretirajte ga više kao konvencionalni region diode (struja raste sa naponom).
• NDR efekti više nisu dominantni, tako da to nije region za operaciju negativnog otpora.
Brza provera pristrasnosti (brza lista zdravog razuma)
• Proverite namernu tačku pristrasnosti u odnosu na I-V podatke uređaja (Ip, Vp, Iv, Vv).
• Proverite temperaturni drift: Vp/Ip/Iv shift može pomeriti radnu tačku.
• Proverite parazite: Co i induktivnost paketa mogu preoblikovati prividni I–V na visokoj frekvenciji.
• Potvrdite stabilnost sa okolnom mrežom (posebno u radu NDR).
Obrnuta pristrasnost i režim unazad diode
Tunelska dioda može da sprovede primetnu struju čak i u obrnutoj pristrasnosti, jer je njen region iscrpljivanja krhak. Kada se primenjuje mali obrnuti napon, nivoi energije mogu da se postroje, omogućavajući nosačima da tunel u obrnutom smeru. Ova obrnuta provodljivost pri niskom naponu se često naziva režim unazad diode.
Kako izgleda obrnuto tuneliranje
• Mali obrnuti napon pomera energetsko poravnanje tako da se tuneliranje dešava u obrnutom smeru.
• Obrnuto tuneliranje može podržati: RF detekciju niskog nivoa. Mešanje ili konverzija frekvencije (u nekim podešavanjima kola)
Zašto se ne koristi kao ispravljač snage
• Obrnuta provodljivost može početi pri niskom obrnutom naponu, tako da je obrnuto blokiranje ograničeno.
• Rukovanje obrnutim naponom je obično mnogo niže nego u mnogim energetskim diodama.
Materijali za tunelske diode i IP / IV
| Materijal | Bandgap (približno) | Tendencija tuneliranja |
|---|---|---|
| Ge (germanijum) | ~0.66 eV | Jaka na niskom naponu |
| GaAs (Galijum arsenid) | ~1.42 eV | Jaka sa dobrom kontrolom |
| Si (Silicijum) | ~1.12 eV | Obično slabiji |
Ekvivalentno kolo tunelske diode
| Element | Simbol | Predstavlja | Glavni efekat |
|---|---|---|---|
| Negativan otpor | −Ro | NDR nagib u blizini tačke pristrasnosti | Omogućava dobitak ili oscilacije u pravim uslovima |
| Kapacitet spoja | Ko | Junction (depletion) kapacitivnost | Ograničava visokofrekventni odziv i utiče na rezonancu |
| Otpor serije | Rs | Unutrašnji gubici | Smanjuje oštrinu i smanjuje efektivne performanse |
| Serijska induktivnost | Ls | Induktivnost olova / paketa | Promene u rezonanci mogu uticati na stabilnost |
Aplikacije za tunelske diode
Mikrotalasni oscilatori i generisanje RF signala
Sa pristrasnošću u NDR regionu i rezonantnom mrežom, tunelska dioda može generisati RF i mikrotalasne oscilacije.
Pojačala refleksije i RF Front-End kola
Njegov negativni otpor može se kombinovati sa impedansom mreže za proizvodnju RF dobitak u malim snagama front-end kola.
Relaksacija oscilatori i pulsni kola
NDR region podržava brzo prebacivanje između radnih tačaka, što može stvoriti talasne oblike impulsa i vremena.
Radar i nasleđeni hardver
Tunelske diode se i dalje pojavljuju u nekoj starijoj opremi, gde je ponašanje uređaja već dokazano i dobro dokumentovano.
Detekcija i konverzija frekvencije
U režimu unazad diode, tunelska dioda može detektovati RF signale niskog nivoa pri niskom naponu i takođe može podržati konverziju frekvencije.
Zaključak
Tunelske diode rade zato što teški doping čini raskrsnicu tako tankom da kvantno tuneliranje postaje glavni put za struju. To dovodi do dobro poznate peak-and-valley I-V krive i negativnog diferencijalnog otpora regiona. Ove karakteristike čine tunelske diode korisnim za RF i mikrotalasne oscilatore, detekciju malog signala i brze impulsne krugove. Oni takođe imaju ograničenja, kao što su niskog napona i rukovanje snagom i slabo obrnuto blokiranje.
Često postavljana pitanja [FAK]
Šta kontroliše odnos Ip / Iv (peak-to-valley)?
Nivo dopinga, kvalitet spoja (defekti), razmak materijala i temperatura.
Kako promena temperature tunel diode ponašanje?
Pomera Vp, Ip i Iv i slabi NDR region (često snižava Ip / Iv), što može da pomeri radnu tačku i smanji stabilnost.
Šta ograničava najvišu praktičnu frekvenciju tunelske diode?
Junction kapacitivnost (Co), serijski otpor (Rs), i paket / olovo induktivnost (Ls).
Može li tunelska dioda biti oštećena nepravilnim pristrasnosti?
Da. Višak napredne struje ili obrnutog napona može pregrejati ili trajno oštetiti spoj i promeniti I-V karakteristike.
Zašto tunelske diode nisu uobičajene u modernom dizajnu?
Visokofrekventni tranzistori i RF IC pružaju bolju kontrolu, veći dobitak, poboljšanu skalabilnost i veće rukovanje snagom.
Kako se tunelska dioda razlikuje od unazad diode?
Unazad dioda je optimizovana za snažno tuneliranje obrnutog pristrasnosti (često za detekciju nulte pristrasnosti), dok se tunelska dioda koristi za naprednu operaciju NDR-a.
