Tunneldiode (Esaki): definitie, werking en voorbeelden zoals de 1N3716

Heb je je ooit afgevraagd hoe de elektronische componenten werken die ervoor zorgen dat supersnelle apparaten taken in milliseconden kunnen uitvoeren? Het antwoord ligt misschien wel in een van de meest merkwaardige en fascinerende elementen van de moderne elektronica: de tunneldiode, Ook gekend als Esaki-diodeHoewel dit onderdeel minder vaak voorkomt in de conventionele elektronica, beschikt het over unieke eigenschappen waardoor het een sleutelrol speelt in toepassingen met hoge frequenties en hoge snelheid.

In dit artikel verdiepen we ons in de wereld van tunneldiodes, hun oorsprong, hun kwantumwerking, de materialen waaruit ze bestaan, hun onderscheidende elektrische eigenschappen, voordelen en beperkingen, en huidige toepassingen. We bespreken ook specifieke modellen, zoals de 1N3716 of 1N3755Ontdek waarom dit kleine onderdeel een revolutie teweegbracht in de industrie en hoe het, ondanks de beperkingen, nog steeds essentieel is voor geavanceerde technologieën.

Wat is een tunnel- of Esaki-diode?

El tunneldiode, ook wel genoemd Esaki-diode vernoemd naar de uitvinder Leo Esaki, die in 1973 de Nobelprijs voor de natuurkunde kreeg, is een speciaal type halfgeleiderdiode die wordt gekenmerkt door zijn zwaar gedoteerde PN-overgang en smal. Deze intensieve doping maakt een kwantummechanisch fenomeen mogelijk dat bekend staat als tunneleffect, waarbij ladingdragers de potentiaalbarrière overschrijden, ook als ze dat volgens klassieke wetten niet zouden moeten doen.

Vergeleken met standaard signaaldiodes, waarvan de PN-overgang een aanzienlijk lagere concentratie aan onzuiverheden heeft (ongeveer 1 deel op 10⁸), de tunneldiode brengt doping tot extreme niveaus, met ongeveer 1 deel op 10³Dit levert een extreem smalle zone van uitputting of verarming, wat essentieel is voor het ontstaan ​​van het tunneleffect.

Werkingsprincipe: kwantumtunneleffect

De werking van een tunneldiode Het is gebaseerd op de kwantummechanica, waarin er een eindige waarschijnlijkheid bestaat dat elektronen, hoewel ze vanuit het klassieke oogpunt niet over voldoende energie beschikken om een ​​potentiaalbarrière te passeren, er toch doorheen kunnen gaan alsof ze erdoorheen 'tunnelen'. tunneling waarschijnlijkheid neemt toe naarmate de barrière lager is, hetgeen juist wordt bereikt door een hoge concentratie van doteerstoffen in de PN-overgang van de diode.

Wiskundig gezien hangt de waarschijnlijkheid P dat een deeltje een barrière passeert exponentieel af van zowel de barrière-energie (Eb) vanaf zijn breedte (W):
P α exp(-A × Eb × W)
Waarbij A een constante is die verband houdt met de eigenschappen van het materiaal. De sleutel is dat deze barrière in de tunneldiode zo dun is dat zelfs een lagere energie dan theoretisch voldoende is voor elektronen om erdoorheen te komen.

Constructie en materialen: verder dan silicium

In tegenstelling tot conventionele siliciumdiodes, tunneldiodes Ze worden meestal gemaakt met germanium, galliumarsenide o galliumantimonideDe reden om geen silicium te gebruiken, is dat de bovengenoemde materialen een betere verhouding tussen maximale stroom (piekstroom) en minimale stroom (dalstroom) mogelijk maken, essentieel voor de praktische toepassingen van de component. Een normale PN-overgang heeft een depletiegebied met een aanzienlijke dikte; in de tunneldiode is dit gebied tot 100 keer smaller, namelijk ongeveer 10 nanometer.

La hoge concentratie onzuiverheden Aan beide zijden van de PN-overgang zijn de meeste ladingdragers (elektronen en gaten) in grote hoeveelheden aanwezig, wat het tunneleffect zelfs bij zeer kleine potentiaalverschillen bevordert. Daardoor wordt het een extreem gevoelig apparaat, geschikt voor ultrasnel schakelen.

Elektrische eigenschappen: Negatieve weerstand en VI-curven

Een van de meest opvallende kenmerken van de tunneldiode is dat het laat zien negatieve weerstand in een deel van de spanning-stroom (VI) karakteristieke curve. Dit betekent dat, naarmate de doorlaatspanning toeneemt, de stroom eerst snel toeneemt tot een maximum (piekpunt), maar vervolgens, als de spanning verder stijgt, de stroom afneemt tot een minimum (dalpunt) en vervolgens weer toeneemt, zoals bij een conventionele diode.

Dit fenomeen, de negatieve weerstandszone, vormt de basis voor veel tunneldiodetoepassingen, zoals het genereren van hoogfrequente oscillaties. De karakteristieke curve kan worden samengevat in de volgende kernpunten:

• Initiële geleidingszone: de stroomsterkte neemt toe bij toenemende gelijkspanning.
• Piekpunt: maximale stroomsterkte (Ip) met bijbehorende spanning (Vp).
• Negatieve weerstandszone: de stroom neemt af, zelfs als de spanning toeneemt, totdat het dalpunt wordt bereikt.
• Dalpunt: minimale stroom (Iv) bij dalspanning (Vv).
• Vanaf hier lijkt het gedrag op dat van een gewone diode.

Bij omgekeerde bias is de tunneldiode Dankzij het tunneleffect heeft het bovendien een hoge geleidbaarheid, waardoor er zelfs bij lage spanningen een hoge tegenstroom kan circuleren.

Elektrisch symbool en equivalent circuit

El symbologie De weergave van de tunneldiode in elektrische schema's kan enigszins variëren, maar toont in essentie een PN-overgang met een kenmerkende vorm die het specifieke gedrag aangeeft. De anode (P) en kathode (N) zijn duidelijk van elkaar te onderscheiden.

Voor circuitanalyseEr wordt gebruik gemaakt van een klein-signaal equivalent model dat het volgende omvat:

• een negatieve weerstand (-R_o) geassocieerd met het negatieve weerstandsgebied.
• een serie-inductie (L_s) over de diode-aansluitingen.
• een junctiecapaciteit (C).

Deze combinatie van elementen weerspiegelt het gedrag van de tunneldiode in hoogfrequente toepassingen en is essentieel voor het voorspellen van de respons onder verschillende omstandigheden.

Belangrijkste toepassingen van tunneldiodes

Vanwege zijn buitengewoon vermogen om snel van rijgedrag te veranderenDe tunneldiode is vooral geschikt voor:

• Microgolf- en hoogfrequente oscillatorenZe maken gebruik van de negatieve weerstandszone om stabiele elektrische oscillaties te creëren en te behouden, essentieel in telecommunicatie, radar en draadloze systemen.
• Reflectieversterkers: gebruikt in configuraties waarbij versterking nodig is bij frequenties waarbij conventionele transistoren niet goed werken.
• Hogesnelheidsschakelaars: dankzij de vrijwel onmiddellijke overgang tussen rijden en niet-rijden.
• Frequentieomvormers:Doordat het zowel in voorwaartse als achterwaartse richting kan werken, is het geschikt voor gebruik in signaalmixers.
• Logische geheugens in digitale schakelingen: de stabiliteit in de negatieve weerstandszone wordt gebruikt voor tijdelijke opslag van informatie.

Hoewel ze voordelen bieden voor hoge frequenties, zijn niet geschikt voor conventionele rectificatie vanwege de aanzienlijke sperstroomlekkage, waardoor het wijdverbreide gebruik ervan beperkt is.

Voor- en nadelen van tunneldiode

El tunneldiode Het heeft unieke eigenschappen, met voor- en nadelen waarmee rekening moet worden gehouden. Een van de voordelen is: ultrasnelle werksnelheid y laag geluidsniveauHet kent echter ook beperkingen, zoals een laag maximaal vermogen en beperkingen op de bedrijfsspanning.

• Voordelen:
  • Ultrahoge werksnelheid, geschikt voor het schakelen en genereren van signalen in microgolfbanden.
  • Lage productiekosten en constructieve eenvoud vergeleken met andere hoogfrequente apparaten.
  • Laag geluidsniveau tijdens de operatie.
  • Goede omgevingsimmuniteit en een lange levensduur dankzij de robuuste constructie.
• Nadelen:
  • Laag maximaal vermogenwaardoor het ongeschikt is voor energie-intensieve toepassingen.
  • Beperkte spanningsuitgangen en schommelingen in het uitgangssignaal.
  • Er is geen isolatie tussen input en output omdat het een apparaat met twee aansluitingen is.
  • Moeilijkheden bij grootschalige productie en beperkingen in sommige standaardtoepassingen.

Modellen en voorbeelden: Tunneldiodes 1N3716 en 1N3755

Onder de historische en meest gebruikte modellen van tunneldiodes markeert de 1N3716 y 1N3755, populair in microgolflaboratoria, telecommunicatiestations en prototypeontwerp. Beide kenmerken zich door het toestaan ​​van zeer hoge bedrijfsfrequenties en een effectieve respons in negatieve weerstandsgebieden. Kennis van specifieke typen zoals de Schottky-diode kan het begrip van deze apparaten in bepaalde contexten aanvullen.

El 1N3716 Het vertoont een karakteristieke curve die typisch is voor tunneldiodes, met een relatief lage piekspanning en een optimale responssnelheid voor microgolftoepassingen en snel schakelen. 1N3755 De specificaties zijn vergelijkbaar, maar er zijn verschillen in details zoals de bedrijfsspanning en het stroombereik, waardoor het geschikt is voor specifieke hoogfrequente elektronicaconfiguraties.

Vergelijking met andere soorten diodes

De wereld van de diodes kent een breed scala aan varianten, zoals signaaldioden, zenerdioden, schottkydioden of gelijkrichterdioden. tunneldiode Het onderscheidt zich voornamelijk door:

• Niet bruikbaar voor rectificatie vanwege de hoge sper-lekstroom.
• Veel sneller van toestand kunnen veranderen dan Schottky of andere hogesnelheidsdiodes.
• Toon een regio van zeer duidelijke negatieve weerstand (niet aanwezig in de rest van de gangbare diodes).
• Vereisen specifieke materialen en doping voor een optimale werking, in tegenstelling tot het silicium van de gewone diode.

Deze eigenschappen maken de tunneldiode gespecialiseerd in niches waarin andere apparaten niet kunnen concurreren. Het gebruik ervan in consumentenelektronica is echter beperkt.

Gedetailleerde werking: Fasen van cyclus VI

Om het gedrag ervan te begrijpen, is het essentieel om elke fase van de karakteristieke curve te analyseren:

• Door een kleine gelijkspanning toe te passen, passeren de ladingdragers dankzij het tunneleffect de kruising, waardoor een lagere stroomsterkte ontstaat.
• Met de toename van de spanningoverlappen de valentie- en geleidingsbanden elkaar, waardoor een snelle toename in de stroomsterkte ontstaat totdat het piekpunt bereikt is.
• Na de piekDoor de verkeerde uitlijning van de banden wordt de tunnelvorming verminderd, waardoor de stroom naar het dalpunt afneemt.
• Terwijl de spanningen blijven toenemen, lijkt het gedrag op dat van een conventionele kruising en stijgt de stroom weer.
• Onder omgekeerde vooringenomenheid, het tunneleffect laat nog steeds een aanzienlijke stroomsterkte toe, hoewel de maximale sperspanning gewoonlijk laag is.

Gebruiksvoorwaarden en bedrijfsgrenzen

El tunneldiode kan relatief hoge gelijkspanningen weerstaan, waarbij sommige modellen oplopen tot 500 V, maar maximale sperspanning (PIV) Deze is meestal laag, rond de 40 V in de meest voorkomende gevallen. Het is belangrijk om deze beperking in gedachten te houden om schade te voorkomen.

De relatie tussen de piekstroom en valleistroom Het is een belangrijke parameter voor de keuze van het juiste model, vooral bij oscillator- en versterkertoepassingen waarbij stabiliteit en signaalamplitude in het negatieve weerstandsgebied vereist zijn.

Dagelijkse situaties waarin de tunneldiode wordt gebruikt

Ondanks hun beperkte gebruik, tunneldiodes bevinden zich in:

• Apparatuur voor microgolfcommunicatie.
• Hoogfrequentmeters.
• Signaalbronnen in laboratoria voor elektronische fysica.
• Radarsystemen die reacties van nanoseconden nodig hebben.

Ondanks de introductie van nieuwe technologieën en materialen blijven ze door hun snelheid en betrouwbaarheid relevant in bepaalde specialistische gebieden.