Co to jest dioda tunelowa: działanie i jej zastosowania

Dioda tunelowa została odkryta przez Leo Esaki w 1958 roku. Zauważył, że jeśli dioda półprzewodnikowa jest mocno domieszkowana przez zanieczyszczenia, to generuje ujemną rezystancję, co oznacza, że ​​przepływ prądu przez diodę zmniejszy się, gdy napięcie wzrośnie. Leo Esaki otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za wynalezienie efektu tunelowania elektronów stosowanego w tego typu diodach w roku 1973. Diody te są jednym z najważniejszych elementów elektronicznych półprzewodnikowych. Jak sama nazwa wskazuje, dioda ta została nazwana na cześć Leo Esaki za jego pracę z efektem tunelowania. W tym artykule omówiono efekt tunelowania i jego działanie. Co to jest dioda tunelowa? Dioda półprzewodnikowa, taka jak dioda tunelowa, jest również nazywana diodą Esaki, która ma ujemną rezystancję z powodu tunelowania lub efektu mechaniki kwantowej. Ta dioda zawiera mocno domieszkowane złącze PN o szerokości 10 nm. W materiale półprzewodnikowym tunelowanie jest przypadkiem przewodzenia, w którym nośnik ładunku uderza w barierę, a nie przechodzi przez nią. Dioda tunelowaTen rodzaj diody jest używany jako urządzenie przełączające z ekstremalną prędkością w komputerach, a także we wzmacniaczach i oscylatorach wysokiej częstotliwości. Symbol diody tunelowej pokazano poniżej, gdzie półprzewodnik typu p działa jak anoda, a półprzewodnik typu n działa jak katoda.Symbol diody tunelowej Ogólnie rzecz biorąc, anoda podobna do elektrody jest silnie naładowana, co przyciąga elektrony, podczas gdy katoda jest elektrodą naładowaną ujemnie, która generuje elektrony. Alternatywnie, półprzewodnik typu p przyciąga elektrony, które są generowane z typu n do typu p, nazywany jest anodą. Działanie tej diody zależy głównie od zasady mechaniki kwantowej zwanej tunelowaniem. W elektronice tunelowanie to nic innego jak bezpośredni przepływ elektronów przez obszar zubożenia z jednego pasma do drugiego, tak jak przewodzenie po stronie n do wartościowości po stronie p. Konstrukcja diody tunelowej Materiały użyte do wytworzenia diody tunelowej to german, antymonek galu, krzem i gal arsenek. Ta dioda jest zaprojektowana z dwoma zaciskami, takimi jak anoda i katoda. Tutaj materiał półprzewodnikowy, taki jak typ p, działa jak anoda, podczas gdy typ n działa jak katoda.Konstrukcja diody tunelowej W materiale germanowym stosunek wartości szczytowej dla prądu przewodzenia do wartości prądu doliny jest najwyższy i niski dla krzemu. Dlatego do budowy tej diody nie wykorzystuje się materiału krzemowego. Gęstość domieszkowania diody może być wyższa 1000 razy w porównaniu z normalną diodą. Zasada działania Zasada działania diody tunelowej jest taka sama jak w przypadku diody złącza PN, z wyjątkiem tego, że wysoka gęstość domieszkowania zmienia jej przewodność w ogromnym stopniu. W diodzie PN Junction stężenie domieszkowania wynosi 1 atom na 108 atomów. Natomiast w diodzie tunelowej stężenie domieszkowania wynosi 1 atom na 103 atomy. Ze względu na wysokie stężenie zanieczyszczeń jonami, szerokość warstwy zubożonej może zostać zmniejszona i zmienia się ona na około 10-5 mm. Działanie diody tunelowej Gdy nie zostanie przyłożone napięcie lub nie będzie ona nieobciążona tą diodą, wówczas pasmo przewodzenia materiału półprzewodnikowego typu n częściowo pokrywa się przez pasmo walencyjne materiału typu p. Dzieje się tak z powodu silnego dopingu. Poziomy energii dziur i elektronów w typie P i typie N pozostają odpowiednio takie same. Gdy temperatura wzrasta, elektrony zagrzebują się z obszaru n pasma przewodnictwa do obszaru p pasma walencyjnego. W ten sam sposób, dziury wydrążają się od pasma walencyjnego regionów p do pasma przewodnictwa regionu n. Tak więc w tym stanie dioda będzie bezstronna, co oznacza, że ​​nie ma przepływu prądu przez diodę. Gdy do tej diody zostanie doprowadzone niewielkie napięcie, wówczas przez obszar zubożenia płyną zero elektronów i przez diodę płynie zerowy prąd. W obszarze n kilka elektronów z pasma przewodnictwa jest zagrzebanych w paśmie walencyjnym w regionie p ze względu na zagrzebywanie się elektronów, tak więc niewielki prąd przewodzenia będzie dostarczany w całym obszarze zubożenia. Po przyłożeniu wysokiego napięcia do diody tunelowej zostaną wygenerowane nośniki ładunku, takie jak dziury i elektrony. Gdy przyłożone napięcie wzrośnie, oba pasma będą się nakładać, a poziomy energii w obu pasmach w dwóch obszarach będą równe. W związku z tym przez tunel przepływa największy prąd. Gdy przyłożone napięcie ponownie mocno wzrośnie, oba pasma diody są nieznacznie przesunięte. Jednak oba pasma w obu regionach nadal się pokrywają. W przypadku małej ilości prądu dostarczanego przez diodę, prąd tunelu zacznie się zmniejszać. Jeśli napięcie przewodnika znacznie wzrośnie, prąd tunelu zmniejszy się do zera. W tym stanie oba pasma nie będą się na siebie nakładać, więc ta dioda działa jak normalna dioda złącza PN. W porównaniu z napięciem wbudowanym, wielkość napięcia jest wyższa niż prąd przewodzenia, który będzie dostarczany przez diodę tunelową. Schemat obwodu diody tunelowej Schemat obwodu diody tunelowej pokazano poniżej. Na poniższym schemacie rezystancję zacisków połączeniowych tej diody i materiału półprzewodnikowego można przedstawić za pomocą „R”, co odpowiada 5 omom. Indukcyjność zacisków łączących „Ls” jest prawie równoważna 0.5nH. Schemat obwoduGłówne terminy używane w diodzie tunelowejPowiązane kluczowe terminy używane w diodzie tunelowej to prąd tunelowy, ujemna charakterystyka rezystancji i prąd dolny. Prąd tunelowania to przepływ prądu przez urządzenie z powodu przebijania elektronów przez złącze PN. Szerokość cienkiego zubożenia pozwala niektórym swobodnym elektronom zagrzebać się w złączu zamiast przelatywać nad nim. Dyfuzja elektronów wytworzy prąd zwany prądem tunelowym. Specyficzna właściwość, taka jak ujemna charakterystyka rezystancji, to szczególna zdolność tej diody, w której prąd oznacza spadek nawet po wzroście przyłożonego do niej napięcia. Gdy tunelowanie osiągnie najmniejszą wartość, gdy potencjał przewodzenia wzrasta, wówczas najmniejszą wartością prądu tunelowania może być punkt doliny urządzenia. Charakterystyka VI diody tunelowej Charakterystyka VI diody tunelowej jest pokazana poniżej. W tej diodzie może wystąpić silne przewodzenie domieszkowania z powodu polaryzacji do przodu. Napięcie przyłożone do tej diody wynosi „Vp”, a najwyższy prąd osiągany przez tę diodę to „Ip”. Po przyłożeniu wysokiego napięcia do tej diody, wartość prądu zostanie zmniejszona.VI Charakterystyka Przepływ prądu będzie się zmniejszał, aż osiągnie najmniejszą wartość, więc mała wartość prądu to 'Iv'. Z poniższego charakterystycznego wykresu możemy zauważyć, że przepływ prądu zostanie zmniejszony wraz ze spadkiem napięcia. To jest obszar ujemnej rezystancji dla tej diody. Dioda generuje moc zamiast ją pochłaniać. Oscylator diody tunelowej Jednym z zastosowań diody tunelowej jest oscylator diody tunelowej. Jeśli obwód zbiornika, który zawiera indukcyjność (L) pojemność (C) i rezystancję wewnętrzną (RP) jest połączony przez diodę, której rezystancja -ve, taka jak –Rn i rezystancja netto, taka jak Req, oznacza RP i –Rn równolegle, to można podać byReq = -RnRp/Rp-RnJeżeli 'Rp' jest wyższe niż 'Rn', to 'Req' będzie ujemne i oscylacje mogą wzrosnąć. Następnie amplituda oscylacji rośnie, aż do osiągnięcia zakresu napięcia większego niż wielkość ujemnej powierzchni rezystancji charakterystyki.Oscylator diodowy tunelowyGdy punkt pracy znajdzie się w obszarze dodatniej rezystancji, amplituda oscylacji może zostać ograniczona. Aby uzyskać najwyższą wydajność, nieaktywny punkt powinien być dokładnie umieszczony w środku obszaru ujemnej rezystancji. Tak więc częstotliwość oscylacji można określić za pomocą następującego równania F= 1/2π√LCA dioda tunelowa zawiera ujemną charakterystykę obszaru rezystancji pomiędzy napięciami 0.1 i 0.3V. Może być używany jako oscylator przy częstotliwościach 100GHz. Kiedy oscylator z diodą tunelową działa wyjątkowo dobrze przy bardzo wysokich częstotliwościach, nie można go efektywnie wykorzystać przy mniejszej częstotliwości. Jest to główna wada oscylatora diodowego i jest on również nazywany oscylatorem ujemnej rezystancji. Do zalet diody tunelowej należą następujące zalety. Szybkość przełączania tej diody jest wysoka Długa żywotność Ta dioda radzi sobie z wysokimi częstotliwościami. jest niskaPraca jest szybkaOchrona środowiskaPrzepływ prądu ze względu na większość nośników ładunku w tej diodzie może bardzo szybko reagować na zmiany napięcia. Tak więc ta właściwość jest niezwykle przydatna w zastosowaniach o dużej prędkości. Ogromne źródła prądu przy małej wartości napięcia wstecznego z powodu znacznego nakładania się dwóch pasm, takich jak walencja i przewodnictwo. Jest to bardzo pomocna właściwość, podobnie jak przetwornica częstotliwości. Generuje ujemną rezystancję, która jest wykorzystywana w oscylatorach i wzmacniaczach odbiciowych Wady Wady diody tunelowej są następujące. Te diody są urządzeniami o małej mocy. p wahania napięcia. Zakresy mocy wyjściowej są ograniczone do kilku miliwatów, ponieważ zastosowany potencjał DC powinien być niski w porównaniu z potencjałem pasma zabronionego diody. Nie ma izolacji między wejściem i wyjściem, ponieważ jest to urządzenie 2-zaciskowe. diody tunelowej obejmują następujące elementy. Dioda tunelowa jest używana w różnych oscylatorach, takich jak relaksacja, mikrofala itp. Jest używana jako urządzenie przełączające o bardzo dużej prędkości. Jest używana jako urządzenie do przechowywania pamięci logicznej. Jest używana jako oscylator mikrofalowy o wysokiej częstotliwości Ta dioda jest używana jako oscylator, wzmacniacz i przełącznik Jest używana jako komponent o wysokiej częstotliwości. Działa jako urządzenie pamięci masowej do przechowywania pamięci logicznej. Jest używana w odbiornikach FM i obwodach oscylatorów, ponieważ jest to urządzenie niskoprądowe. Dlatego chodzi o przegląd diody tunelowej, budowę, działanie, zalety, wady i jej zastosowania. Te diody są używane jako oscylator, wzmacniacz, przełącznik itp. Ta dioda może być używana jako komponent wysokiej częstotliwości ze względu na szybką reakcję, jednak nie jest wybierana ze względu na dostępność lepszych urządzeń. Oto pytanie do Ciebie, jakie rodzaje diod są dostępne na rynku?

Zostaw wiadomość 

Lista komunikatów