Tunnel diode (Esaki): kahulugan, operasyon at mga halimbawa tulad ng 1N3716

Naisip mo na ba kung paano gumagana ang mga electronic na bahagi na nagpapahintulot sa mga high-speed na device na magsagawa ng mga gawain sa millisecond? Ang sagot ay maaaring nasa isa sa mga pinaka kakaiba at kamangha-manghang elemento ng modernong electronics: ang tunnel diodeKilala rin bilang Esaki diodeAng device na ito, bagama't hindi gaanong karaniwan sa conventional electronics, ay may mga natatanging katangian na nagbibigay dito ng mahalagang papel sa mga high-frequency at high-speed na application.

Sa artikulong ito, susuriin natin ang mundo ng mga tunnel diode, ang kanilang pinagmulan, ang kanilang quantum operation, ang mga materyales na ginawa ng mga ito, ang kanilang mga natatanging katangian ng elektrikal, mga pakinabang at limitasyon, at kasalukuyang mga aplikasyon. Susuriin din namin ang mga partikular na modelo gaya ng 1N3716 o el 1N3755Humanda upang matuklasan kung bakit binago ng maliit na bahagi na ito ang industriya at kung paano, sa kabila ng mga limitasyon nito, nananatili itong mahalaga sa mga makabagong teknolohiya.

Ano ang tunnel o Esaki diode?

El tunnel diode, tinatawag din Esaki diode ipinangalan sa imbentor nitong si Leo Esaki, na ginawaran ng Nobel Prize sa Physics noong 1973, ay isang espesyal na uri ng semiconductor diode na nailalarawan sa mabigat na doped PN junction at makitid. Ang matinding doping na ito ay nagbibigay-daan sa isang quantum mechanical phenomenon na kilala bilang epekto ng lagusan, kung saan ang mga tagadala ng singil ay tumatawid sa potensyal na hadlang kahit na, ayon sa mga klasikal na batas, hindi nila dapat gawin ito.

Kung ikukumpara sa mga karaniwang signal diode, na ang PN junction ay may makabuluhang mas mababang konsentrasyon ng karumihan (mga 1 bahagi sa 10⁸), ang tunnel diode ay tumatagal ng doping sa matinding antas, na may humigit-kumulang 1 bahagi sa 10³. Nagbubunga ito ng a lubhang makitid na sona ng pagkaubos o kahirapan, na susi para mahayag ang epekto ng tunnel.

Prinsipyo ng pagpapatakbo: Quantum tunneling effect

Ang operasyon ng a tunnel diode Ito ay batay sa quantum mechanics, kung saan may hangganan ang posibilidad na ang mga electron, bagama't wala silang sapat na enerhiya upang tumawid sa isang potensyal na hadlang mula sa klasikal na punto ng view, ay maaaring dumaan dito na parang sila ay "tunneling" sa pamamagitan nito. posibilidad ng tunneling pinatataas ang mas mababang hadlang, na nakamit nang tumpak sa isang mataas na konsentrasyon ng mga dopant sa PN junction ng diode.

Sa matematika, ang posibilidad na P ng isang particle na tumatawid sa isang hadlang ay nakasalalay nang malaki sa parehong enerhiya ng hadlang (Eb) bilang sa kanya malawak (W):
P α exp(-A × Eb × W)
Kung saan ang A ay isang pare-parehong nauugnay sa mga katangian ng materyal. Ang susi ay, sa tunnel diode, ang hadlang na ito ay napakanipis na kahit na ang isang mas mababa kaysa sa teoretikal na enerhiya ay sapat para sa mga electron na tumawid dito.

Konstruksyon at mga materyales: Higit pa sa silikon

Hindi tulad ng karaniwang mga diode ng silikon, tunnel diodes Karaniwang ginagawa ang mga ito gamit ang germanio, gallium arsenide o gallium antimonideAng dahilan ng hindi paggamit ng silicon ay ang mga nabanggit na materyales ay nagbibigay-daan para sa isang mas mahusay na ratio sa pagitan ng pinakamataas na kasalukuyang (peak current) at pinakamababang kasalukuyang (valley current), na mahalaga sa mga praktikal na aplikasyon ng bahagi. Ang isang normal na PN junction ay may depletion region na may malaking kapal; sa tunnel diode, ang rehiyong ito ay hanggang 100 beses na mas makitid, sa humigit-kumulang 10 nanometer.

La mataas na konsentrasyon ng mga impurities sa magkabilang panig ng PN junction ay nangangahulugan na ang karamihan sa mga tagadala ng singil (mga electron at butas) ay naroroon sa malalaking dami, na pinapaboran ang epekto ng tunneling kahit na sa napakaliit na potensyal na pagkakaiba. Dahil dito, ito ay nagiging lubhang sensitibong aparato, na angkop para sa napakabilis na paglipat.

Mga katangiang elektrikal: Negatibong pagtutol at VI curves

Isa sa mga pinaka-kapansin-pansin na mga tampok ng tunnel diode ay na ito ay nagpapakita negatibong pagtutol sa isang bahagi ng kurba ng katangian ng boltahe-kasalukuyan (VI). Nangangahulugan ito na, habang ang pasulong na boltahe ay tumataas, ang kasalukuyang unang tumataas nang mabilis hanggang sa umabot ito sa isang maximum (peak point), ngunit pagkatapos, kung ang boltahe ay tumaas pa, ang kasalukuyang ay bumababa sa isang minimum (valley point), at pagkatapos ay tataas muli tulad ng sa isang conventional diode.

Ang phenomenon na ito, ang negatibong zone ng paglaban, ay ang batayan para sa maraming mga application ng tunnel diode, tulad ng pagbuo ng mga high-frequency oscillations. Ang curve ng katangian ay maaaring maibuod sa mga sumusunod na pangunahing punto:

• Paunang conduction zone: ang kasalukuyang pagtaas sa pagtaas ng direktang boltahe.
• Peak point: maximum na kasalukuyang (Ip) na may nauugnay na boltahe (Vp).
• Negative resistance zone: bumababa ang kasalukuyang kahit na tumaas ang boltahe, hanggang sa maabot nito ang lambak.
• Punto ng lambak: pinakamababang kasalukuyang (Iv) na may boltahe ng lambak (Vv).
• Mula dito, ang pag-uugali ay katulad ng sa isang karaniwang diode.

Sa reverse bias, ang tunnel diode Mayroon din itong makabuluhang conductivity, salamat sa epekto ng tunnel, na nagpapahintulot sa isang mataas na reverse current na umikot kahit na sa mababang boltahe.

Simbolo ng elektrikal at katumbas na circuit

El simbololohiya Ang representasyon ng tunnel diode sa electrical schematics ay maaaring bahagyang mag-iba, ngunit mahalagang nagpapakita ng PN junction na may natatanging hugis upang markahan ang espesyal na pag-uugali nito. Ang anode (P) at cathode (N) ay malinaw na naiiba.

Para sa pagsusuri ng circuit, ginagamit ang isang maliit na signal na katumbas na modelo na kinabibilangan ng:

• isang negatibong pagtutol (-R_o) nauugnay sa rehiyon ng negatibong pagtutol.
• isang serye ng inductance (L_s) sa mga terminal ng diode.
• isang junction capacitance (C).

Ang kumbinasyong ito ng mga elemento ay sumasalamin sa pag-uugali ng tunnel diode sa mga high-frequency na aplikasyon at ito ay mahalaga para sa paghula ng tugon nito sa ilalim ng iba't ibang mga kondisyon.

Pangunahing mga aplikasyon ng tunnel diodes

Dahil sa kanyang pambihirang kakayahan upang mabilis na baguhin ang estado ng pagmamaneho ng isang tao, ang tunnel diode ay partikular na ipinahiwatig para sa:

• Microwave at high frequency oscillators: Sinasamantala nila ang negatibong resistance zone upang lumikha at mapanatili ang matatag na mga electrical oscillations, mahalaga sa telekomunikasyon, radar at wireless system.
• Reflection amplifier: ginagamit sa mga configuration kung saan kinakailangan ang amplification sa mga frequency kung saan hindi gumagana nang maayos ang mga conventional transistor.
• Mga high-speed switch: salamat sa halos madalian nitong paglipat sa pagitan ng pagmamaneho at hindi pagmamaneho.
• Convertidores de frecuencia: Ang kakayahang gumana sa parehong forward at reverse bias ay nagbibigay-daan sa paggamit nito sa mga signal mixer.
• Mga lohikal na alaala sa mga digital circuit: ang katatagan nito sa negative resistance zone ay ginagamit para sa pansamantalang pag-iimbak ng impormasyon.

Bagama't nag-aalok sila ng mga pakinabang para sa mataas na dalas, ay hindi angkop para sa maginoo na pagwawasto dahil sa makabuluhang reverse bias leakage current, na naglilimita sa malawakang paggamit nito.

Mga kalamangan at kawalan ng tunnel diode

El tunnel diode Ito ay may mga natatanging katangian, na may mga pakinabang at disadvantages na dapat isaalang-alang. Kabilang sa mga benepisyo nito, a napakabilis na bilis ng pagpapatakbo y mababang ingayGayunpaman, mayroon din itong mga limitasyon, tulad ng a mababang maximum na kapangyarihan at mga paghihigpit sa operating boltahe.

• Kalamangan:
  • Napakataas na bilis ng pagpapatakbo, na angkop para sa paglipat at pagbuo ng signal sa mga microwave band.
  • Mababang gastos sa pagmamanupaktura at nakabubuo na pagiging simple kumpara sa iba pang mga high-frequency na device.
  • Mababang antas ng ingay sa panahon ng operasyon.
  • Magandang kaligtasan sa kapaligiran at mahabang buhay ng serbisyo salamat sa matatag na konstruksyon nito.
• Disadvantages:
  • Mababang maximum na kapangyarihan, ginagawa itong hindi angkop para sa mga application na masinsinang enerhiya.
  • Limitadong mga output ng boltahe at pagbabagu-bago sa output signal.
  • Walang paghihiwalay sa pagitan ng input at output pagiging isang dalawang-terminal na aparato.
  • Kahirapan sa malakihang produksyon at mga limitasyon sa ilang karaniwang mga aplikasyon.

Mga modelo at halimbawa: Tunnel diodes 1N3716 at 1N3755

Kabilang sa mga makasaysayang at pinakaginagamit na mga modelo ng tunnel diodes tumayo ang 1N3716 y 1N3755, sikat sa microwave laboratories, mga istasyon ng telekomunikasyon, at disenyo ng prototype. Parehong nailalarawan sa pamamagitan ng pagpayag sa napakataas na operating frequency at epektibong pagtugon sa mga rehiyon ng negatibong pagtutol. Kaalaman sa mga partikular na uri tulad ng Schottky diode maaaring umakma sa pag-unawa sa mga device na ito sa ilang partikular na konteksto.

El 1N3716 Nagpapakita ito ng isang katangian na curve na tipikal ng mga tunnel diode, na may medyo mababang peak voltage at isang pinakamainam na bilis ng pagtugon para sa mga aplikasyon ng microwave at mabilis na paglipat. Para sa bahagi nito, ang 1N3755 Nag-aalok ito ng mga katulad na detalye ngunit nag-iiba-iba sa mga detalye tulad ng operating boltahe at kasalukuyang saklaw, na nagpapahintulot sa paggamit nito sa mga partikular na high-frequency na mga configuration ng electronics.

Paghahambing sa iba pang mga uri ng diodes

Ang mundo ng mga diode ay may malawak na hanay ng mga variant, tulad ng mga signal diode, Zener diodes, Schottky diodes o rectifier diodes. tunnel diode Ito ay pangunahing pinag-iba sa pamamagitan ng:

• Hindi kapaki-pakinabang para sa pagwawasto dahil sa mataas na reverse bias leakage current.
• Ang kakayahang magbago ng estado nang mas mabilis kaysa sa Schottky o iba pang mga high speed diode.
• Magpakita ng rehiyon ng napakamarkahang negatibong pagtutol (hindi umiiral sa iba pang karaniwang diode).
• Pag obliga mga tiyak na materyales at doping para sa pinakamainam na paggana nito, hindi katulad ng silikon ng karaniwang diode.

Ang mga katangiang ito ay gumagawa ng tunnel diode na dalubhasa sa mga niches kung saan ang ibang mga aparato ay hindi maaaring makipagkumpitensya, bagaman ang paggamit nito sa consumer electronics ay limitado.

Detalyadong operasyon: Mga yugto ng cycle VI

Upang maunawaan ang pag-uugali nito, mahalagang pag-aralan ang bawat yugto ng katangian nitong kurba:

• Sa pamamagitan ng paglalapat ng maliit na direktang boltahe, ang mga charge carrier ay dumadaan sa junction salamat sa tunnel effect, na bumubuo ng mas mababang kasalukuyang.
• Sa pagtaas ng tensyon, ang mga valence at conduction band ay nagsasapawan, na nagiging sanhi ng mabilis na pagtaas ng kasalukuyang hanggang sa maabot ang peak point.
• Pagkatapos ng peak, ang maling pagkakahanay ng mga banda ay nakakabawas ng tunneling, na nagpapababa ng agos sa punto ng lambak.
• Habang patuloy na tumataas ang tensyon, ang pag-uugali ay kahawig ng isang kumbensyonal na junction, at ang kasalukuyang tumataas muli.
• Sa ilalim ng reverse bias, ang epekto ng tunnel ay nagpapahintulot pa rin ng makabuluhang kasalukuyang, bagaman ang maximum na reverse boltahe ay karaniwang mababa.

Mga kundisyon ng paggamit at mga limitasyon sa pagpapatakbo

El tunnel diode maaaring makatiis ng medyo mataas na direktang boltahe, na may ilang mga modelo na umaabot hanggang 500 V, ngunit nito maximum na reverse boltahe (PIV) Ito ay kadalasang mababa, sa paligid ng 40 V sa mga pinakakaraniwang halimbawa. Mahalagang tandaan ang limitasyong ito upang maiwasan ang pinsala.

Relasyon sa pagitan peak current at agos ng lambak Ito ay isang pangunahing parameter para sa pagpili ng tamang modelo, lalo na sa oscillator at amplifier application kung saan kinakailangan ang katatagan at signal amplitude sa rehiyon ng negatibong pagtutol.

Araw-araw na sitwasyon kung saan ginagamit ang tunnel diode

Sa kabila ng kanilang limitadong paggamit, tunnel diodes ay matatagpuan sa:

• Mga kagamitan sa komunikasyon sa microwave.
• Mga metro ng mataas na dalas.
• Mga mapagkukunan ng signal sa mga laboratoryo ng electronic physics.
• Radar system na nangangailangan ng mga nanosecond na tugon.

Sa kabila ng pagpapakilala ng mga bagong teknolohiya at materyales, ang kanilang bilis at pagiging maaasahan ay nagpapanatili sa kanila na may kaugnayan sa ilang partikular na mga larangan.