Tunneldiood on eriline diood, mis ei käitu nagu tavaline. Kuna see on väga tugevalt dopeeritud, muutub selle ühenduskoht äärmiselt õhukemaks, nii et elektronid saavad selle kaudu tunnelit kaevata isegi madala pinge korral. See tekitab kummalise piirkonna, mida nimetatakse negatiivseks diferentsiaaltakistuseks, kus vool võib langeda isegi pinge tõustes.
Tunneldioodi põhitõed
Tunneldioodil on kaks terminali, nagu tavalisel dioodil. Mõlemad otsad peavad olema selgelt tuvastatud, sest seade võib teatud pingevahemikel käituda erinevalt tavalisest dioodist.
Terminalide nimed
• Anood → p-tüüpi külg
• Katood → n-tüüpi külg
Lõplikud faktid
• Edasise pinge korral voolab tavapärane vool anoodist → katoodist.
• Polaarsus on endiselt oluline ning tunneldioodid võivad juhtida ka vastupidises kallutusastmes tänu tunnelimisele.
• Paljudel füüsilistel pakenditel on katood märgitud riba või täpiga.
Struktuur ja kvanttunneldamine tunneldioodis
Standardses p–n ühenduses on tühjenemispiirkond piisavalt lai, et kandjad ületavad barjääri peamiselt soojussüstimise teel. Tunneldiood on ehitatud erinevalt: nii p- kui ka n-pool on väga tugevalt dopeeritud, mis surub tühjenemispiirkonna vaid mõne nanomeetrini. Nii õhukese barjääri korral saavad elektronid sellest läbi kvanttunnelite kaudu liikuda, mistõttu võib väga madala edasipinge korral tekkida märgatav vool.
Millised tugevad dopingu muutused (põhjus → tagajärg)
• Tugev doping tõstab kandja kontsentratsiooni ja kitsendab tühjenemispiirkonda.
• Õhem ammendumispiirkond tähendab õhemat energiabarjääri ühenduskohas.
• Kui barjäär on piisavalt õhuke, saavad kandjad selle kaudu tunnelit kaevata, selle asemel et üle minna.
• See võimaldab madalpinge juhtivust ja muudab ühenduse käitumise tugevalt sõltuvaks geomeetriast ja materjali parameetritest.
Mida tunneldamine selles dioodis tähendab
Tavalises dioodis vajab kandja piisavalt energiat, et ületada barjäär. Tunneldioodis, isegi kui kandja energia on barjääri tipust allpool, võib see siiski läbi minna kvantmehaanika tõttu, eeldusel, et ühel pool on hõivatud olekud, mis on joondatud ja teisel pool tühjad olekud.
Praktilised disaini tagajärjed
• Ühendusmahtuvus on tavaliselt suurem, kuna tühjenemispiirkond on äärmiselt õhuke.
• Tagurpidi blokeerimine on piiratud ning tagurpidi läbilaskepinge on sageli madalam kui tavalistes dioodides.
• Jõudlus on tundlikum protsessi kõikumise ja temperatuuri suhtes ning kõrgsageduslik käitumine sõltub tugevalt ühendusmahtuvusest ja pakendi/juhtme induktiivsusest.
Kiire võrdlus
| Aspekt | Standarddiood | Tunneldiood |
|---|---|---|
| Dopingutase (tüüpiline järjekord) | ~10¹⁶–10¹⁸ cm⁻³ | ~10¹⁹–10²⁰ cm⁻³ |
| Tühjenemise paksus | Laiem | Väga kitsas |
| Peamised teed, kus kandjad ristuvad | Enamasti üle barjääri | Enamasti läbi barjääri (tunnelite rajamine) |
| Tagurpidi blokeerimine | Sageli tugev | Sageli piiratud |
Tunneldioodi energiariba vaade
Null või väga väike kallutatus
Null nihke korral võib tunneldamine toimuda mõlemas suunas, sest barjäär on õhuke. Netovool jääb nulli lähedale, sest p→n-st on tunneldamine tasakaalustatud n→p tunneliga.
Väike ettepoole kallutamine: tõusmine tipu poole (IP vp-l)
Väikese ettepoole nihkuva nihkumise korral nihkuvad energiaribad nii, et täidetud olekud ühel pool joonduvad tühjade olekutega teisel. Olemasolevate tunnelitedade arv kasvab, mistõttu vool tõuseb kiiresti.
• Vool jõuab tippvooluni Ip tipppinge Vp ajal, kui joondamine on kõige tugevam.
Kõrgem ettepoole kalduvus: langus oru suunas (iv vv-s)
Kui edasi pinge tõuseb Vp-st kõrgemale, muutub sagedusala joondamine halvemaks. Vähem osariike joondub, seega kaevavad teed vähenevad. Tunnelvool väheneb, kuigi pinge tõuseb.
• See on NDR piirkond, kus dI/dV < 0.
• Vool langeb oru vooluks Iv oru pingega Vv.
Veelgi kõrgem ettepoole nihke: normaalne dioodide juhtivus domineerib
Piisavalt kõrgema ettepoole nihke korral muutub tunneldamine nõrgaks, sest olekud ei joondu enam hästi tunneldamiseks. Tavapärane ettejuhtivus (difusioon/süstimine) muutub domineerivaks ning vool tõuseb pingega uuesti.
Tunneldioodi I–V kõver ja peamised parameetrid
Tunneldioodil on iseloomulik edasine I–V kõver: vool tõuseb tipuni, langeb oru ja tõuseb uuesti. "Langus pinge tõusu ajal" on negatiivne diferentsiaaltakistuse (NDR) piirkond.
Kuidas lugeda kõverat (kõrgetasemeline)
• 0 → Vp: tunneliteed suurenevad, vool tõuseb kiiresti.
• Vp → Vv: tunneliteed vähenevad, vool langeb (NDR).
• V > Vv: normaalne dioodjuhtivus domineerib, vool tõuseb uuesti.
Olulised punktid kõveral
• Vp (Peak Voltage): pinge maksimaalse tunnelivoolu punktis
• Ip (Peak Current): maksimaalne edasine tunnelvool
• Vv (oru pinge): pinge minimaalsel punktil pärast langust
• IV (Valley Current): minimaalne vool enne normaalse juhtivuse tugevat tõusu
• Ip/Iv (tipu ja oru suhe): näitab, kui väljendunud on NDR-i käitumine
Edasised tegevuspiirkonnad ja kallutatuse märkmed
Regioon A: Madalpinge tunneldamine (umbes 0 kuni Vp)
• Kasuta siis, kui soovid madalpinge juhtivuskäitumist, mida domineerib tunneldamine.
• Hoia paigutusparasiitid väikesed, kui signaal on kiire või RF.
Regioon B: NDR-aken (Vp kuni VV)
• See on piirkond, mida kasutatakse ostsillaatorite ja negatiivse takistusega raadiosagedusahelate jaoks.
• Nihe stabiilses tööpunktis NDR-akna sees, mitte otse servadel.
• Kasuta eellülitusvõrku, mis takistab kontrollimatuid või soovimatuid hüppeid tööpunktide vahel.
• Minimeeri lisajadatakistust seal, kus on vaja tugevat NDR-käitumist, kuna jadatakistus vähendab efektiivset negatiivset takistust.
Piirkond C: Normaalne ettejuhtivus (üle Vv)
• Käsitle seda pigem nagu tavalist dioodi piirkonda (vool tõuseb pingega).
• NDR-efektid ei ole enam domineerivad, seega ei ole see piirkond negatiivse resistentsuse kasutamiseks.
Kiired eelarvamuste kontrollid (kiire mõistuse nimekiri)
• Kontrollida kavandatud kallutuspunkti seadme I–V andmete (Ip, Vp, Iv, Vv) suhtes.
• Kontrolli temperatuuri nihke: Vp/IP/Iv nihutamine võib tööpunkti liigutada.
• Kontrolli parasiitseid: Co ja pakendi induktiivsus võib kõrgel sagedusel näilist I–V ümber kujundada.
• Kinnitada stabiilsust ümbritseva võrguga (eriti NDR-töös).
Pöördnihe ja tagurpidi dioodi režiim
Tunneldiood suudab juhtida märgatavat voolu isegi pöördpinge korral, kuna selle tühjenemispiirkond on habras. Kui rakendada väikest pöördpinget, võivad energiatasemed joonduda, võimaldades kandjatel kaevata vastupidises suunas. Seda madala pinge pöördjuhtivust nimetatakse sageli tagurpidi dioodi režiimiks.
Kuidas näeb välja tagurpidi tunneldamine
• Väike pöördpinge nihutab energia joondamist, nii et tunneldamine toimub vastupidises suunas.
• Tagurpidi tunneldamine võib toetada: madala taseme raadiosageduse tuvastust. Segamine või sageduse teisendamine (mõnes skeemis)
Miks seda ei kasutata toitealaldi
• Pöördjuhtivus võib alata madala pöördpinge juures, seega on tagurpidi blokeerimine piiratud.
• Pöördpinge käsitlus on tavaliselt palju madalam kui paljudel võimsusdioodidel.
Tunneldioodi materjalid ja IP/IV
| Materjal | Ribavahe (umbes) | Tunnelite kalduvus |
|---|---|---|
| Ge (germaanium) | ~0.66 eV | Tugev madala pinge juures |
| GaAs (galliumarseeniid) | ~1.42 eV | Tugev hea kontrolliga |
| Si (räni) | ~1.12 eV | Tavaliselt nõrgemad |
Tunneldioodi ekvivalentne ahel
| Element | Sümbol | Esindab | Peamine efekt |
|---|---|---|---|
| Negatiivne takistus | −Ro | NDR-kalle kalde lähedal nihkepunktile | Võimaldab võimendust või võnkumist õigetes tingimustes |
| Ühendusmahtuvus | Co | Ühenduse (tühjenemise) mahtuvus | Piirab kõrgsageduslikku vastust ja mõjutab resonantsi |
| Seeria vastupanu | Rs | Sisemised kaotused | Vähendab teravust ja vähendab efektiivset jõudlust |
| Seeriainduktiivsus | Ls | Juhtme/pakendi induktiivsus | Resonantsi nihked võivad mõjutada stabiilsust |
Tunneldioodi rakendused
Mikrolaine-ostsillaatorid ja raadiosagedussignaali genereerimine
NDR-piirkonna eelpinge ja resonantsvõrgu abil võib tunneldiood tekitada RF- ja mikrolaine võnkumisi.
Peegeldusvõimendid ja RF-esiosa vooluringid
Selle negatiivset takistust saab kombineerida takistusvõrguga, et toota RF-võimendust madala energiatarbega esiosa ahelates.
Lõdvestusostsillaatorid ja impulssahelad
NDR piirkond toetab kiiret lülitust tööpunktide vahel, mis võib tekitada impulss- ja ajastuslainekujusid.
Radar ja pärandriistvara
Tunneldioodid esinevad endiselt mõnes vanemas seadmes, kus seadme käitumine on juba tõestatud ja hästi dokumenteeritud.
Tuvastamine ja sageduse teisendamine
Tagasidioodi režiimis suudab tunneldiood tuvastada madala taseme raadiosagedussignaale madala pingega ning toetab ka sageduse teisendamist.
Kokkuvõte
Tunneldioodid töötavad, sest tugev doping muudab ühenduse nii õhukeseks, et kvanttunnelimine muutub voolu peamiseks teekonnaks. See viib tuntud tipu ja oru I–V kõverani ning negatiivse diferentsiaaltakistuse piirkonnani. Need omadused muudavad tunneldioodid kasulikuks raadiosagedus- ja mikrolaine ostsillaatorite, väikese signaali tuvastamise ja kiirete impulssahelate jaoks. Neil on ka piirangud, nagu madal pinge ja võimsuse juhtimine ning nõrk tagurpidi blokeerimine.
Korduma kippuvad küsimused [KKK]
Mis kontrollib IP/Iv (tipu ja oru vahel) suhet?
Dopingutase, ühenduse kvaliteet (defektid), materjali ribavahemik ja temperatuur.
Kuidas muudab temperatuur tunneldioodi käitumist?
See nihutab Vp, Ip ja IV ning nõrgestab NDR piirkonda (tihti alandades Ip/Iv), mis võib nihutada tööpunkti ja vähendada stabiilsust.
Mis piirab tunneldioodi kõrgeimat praktilist sagedust?
Ühendusmahtuvus (Co), jadatakistus (Rs) ja pakendi/juhtme induktants (Ls).
Kas tunneldiood võib saada kahjustada vale eelpinge tõttu?
Jah. Liigne edasi- või tagasipinge võib liigset ülekuumenemist või püsivalt kahjustada ühendust ning muuta I–V omadusi.
Miks ei ole tunneldioodid kaasaegsetes disainides tavalised?
Kõrgsageduslikud transistorid ja RF-IC-d pakuvad paremat juhtimist, suuremat võimendust, paremat skaleeritavust ja paremat võimsuse käsitsemist.
Kuidas erineb tunneldiood tagurpidi dioodist?
Tagurpidi diood on optimeeritud tugevaks tagurpidi nihkega tunneldamiseks (sageli null-nihke tuvastamiseks), samas kui tunneldiood kasutatakse edasiseks NDR-tööks.
