Тунелска диода (Есаки): дефиниција, рад и примери као што је 1N3716

Да ли сте се икада запитали како функционишу електронске компоненте које омогућавају уређајима велике брзине да обављају задатке у милисекундама? Одговор би могао бити у једном од најнеобичнијих и најфасцинантнијих елемената модерне електронике: тунелска диода, такође познат као Есаки диодаОвај уређај, иако мање уобичајен у конвенционалној електроници, има јединствена својства која му дају кључну улогу у високофреквентним и брзим апликацијама.

У овом чланку ћемо се позабавити светом тунелских диода, њиховим пореклом, њиховим квантним радом, материјалима од којих су направљене, њиховим препознатљивим електричним карактеристикама, предностима и ограничењима, као и тренутним применама. Такође ћемо размотрити специфичне моделе као што су КСНУМКСНКСНУМКС или КСНУМКСНКСНУМКССпремите се да откријете зашто је ова сићушна компонента револуционисала индустрију и како, упркос својим ограничењима, остаје неопходна у најсавременијим технологијама.

Шта је тунелска или Есаки диода?

El тунелска диода, такође зван Есаки диода Име је добила по свом проналазачу Леу Есакију, добитнику Нобелове награде за физику 1973. године, а то је посебан тип полупроводничке диоде коју карактерише... јако допирани PN спој и уско. Ово интензивно допирање омогућава квантно-механички феномен познат као ефекат тунела, при чему носиоци наелектрисања прелазе потенцијалну баријеру чак и када, према класичним законима, не би требало да то чине.

У поређењу са стандардним сигналним диодама, чији PN спој има знатно нижу концентрацију нечистоћа (око 1 део на 10⁸), тунелска диода допира до екстремних нивоа, са приближно 1 део од 10³Ово производи изузетно уска зона исцрпљивања или осиромашења, што је кључно за манифестацију тунелског ефекта.

Принцип рада: Квантни тунелски ефекат

Рад а тунелска диода Заснована је на квантној механици, где постоји коначна вероватноћа да електрони, иако немају довољно енергије да пређу потенцијалну баријеру са класичне тачке гледишта, могу проћи кроз њу као да се „тунелирају“ кроз њу. вероватноћа тунелирања повећава се што је баријера нижа, што се постиже управо високом концентрацијом примеса у PN споју диоде.

Математички, вероватноћа P да честица пређе баријеру експоненцијално зависи и од енергија баријере (Еб) као његов широк (В):
P α exp(-A × Eb × W)
Где је А константа повезана са својствима материјала. Кључно је да је у тунелској диоди ова баријера толико танка да је чак и енергија нижа од теоријске довољна да је електрони пређу.

Конструкција и материјали: Више од силицијума

За разлику од конвенционалних силицијумских диода, тунелске диоде Обично се праве са германијум, галијум арсенид o галијум антимонидРазлог зашто се не користи силицијум је тај што горе поменути материјали омогућавају бољи однос између максималне струје (вршне струје) и минималне струје (струје долине), што је неопходно у практичним применама компоненте. Нормалан PN спој има област осиромашења знатне дебљине; код тунелске диоде, ова област је до 100 пута ужа, на око 10 нанометара.

La висока концентрација нечистоћа са обе стране PN споја значи да је већина носилаца наелектрисања (електрона и шупљина) присутна у великим количинама, што фаворизује ефекат тунеловања чак и при веома малим потенцијалним разликама. Сходно томе, постаје изузетно осетљив уређај, погодан за ултрабрзо пребацивање.

Електричне карактеристике: Негативна отпорност и VI криве

Један од najupečatljivije karakteristike тунелске диоде је то што она показује негативни отпор у делу своје карактеристичне криве напона и струје (VI). То значи да, како се напон повећава, струја прво брзо расте док не достигне максимум (вршну тачку), али затим, ако се напон даље повећава, струја се смањује на минимум (тачку долине), а затим поново расте као код конвенционалне диоде.

Овај феномен, зона негативног отпора, је основа за многе примене тунелских диода, као што је генерисање високофреквентних осцилација. Карактеристична крива може се сумирати у следеће кључне тачке:

• Почетна зона проводљивости: струја расте са повећањем једносмерног напона.
• Вршна тачка: максимална струја (Ip) са припадајућим напоном (Vp).
• Зона негативног отпора: струја се смањује чак и ако се напон повећава, све док не достигне тачку долине.
• Тачка долине: минимална струја (Iv) са напоном долине (Vv).
• Одавде па надаље, понашање је слично понашању обичне диоде.

У обрнутој пристрасности, тунелска диода Такође има значајну проводљивост, захваљујући тунелском ефекту, омогућавајући циркулацију велике обрнуте струје чак и при ниским напонима.

Електрични симбол и еквивалентно коло

El симбологија Приказ тунелске диоде у електричним шемама може се мало разликовати, али у суштини приказује PN спој са препознатљивим обликом који означава њено посебно понашање. Анода (P) и катода (N) су јасно разликоване.

За анализа кола, користи се еквивалентни модел малог сигнала који укључује:

• А негативни отпор (-R_o) повезан са регионом негативног отпора.
• А серијске индуктивности (L_s) преко диодних терминала.
• А капацитивност споја (C).

Ова комбинација елемената одражава понашање тунелске диоде у високофреквентним применама и неопходна је за предвиђање њеног одзива под различитим условима.

Главне примене тунелских диода

Због његовог изузетна способност брзе промене стања вожње, тунелска диода је посебно индикована за:

• Микроталасни и високофреквентни осцилаториОни користе зону негативног отпора да би створили и одржавали стабилне електричне осцилације, неопходне у телекомуникацијама, радарима и бежичним системима.
• Рефлексни појачавачи: користи се у конфигурацијама где је потребно појачање на фреквенцијама где конвенционални транзистори не раде добро.
• Брзи прекидачизахваљујући готово тренутном преласку између стања вожње и стања невожње.
• Цонвертидорес де фрецуенциаЊегова способност рада и у директном и у обрнутом режиму омогућава његову употребу у миксерима сигнала.
• Логичке меморије у дигиталним колима: његова стабилност у зони негативног отпора се користи за привремено складиштење информација.

Иако нуде предности за високе фреквенције, нису погодни за конвенционалну исправљање због значајне струје цурења у обрнутом смеру, што ограничава његову широку употребу.

Предности и мане тунелске диоде

El тунелска диода Има јединствена својства, са предностима и манама које треба узети у обзир. Међу његовим предностима, а ултра брза брзина рада y низак ниво букеМеђутим, она такође има ограничења, као што је ниска максимална снага и ограничења радног напона.

• предност:
  • Ултра висока брзина рада, погодан за пребацивање и генерисање сигнала у микроталасним опсезима.
  • Ниски трошкови производње и конструктивну једноставност у поређењу са другим високофреквентним уређајима.
  • Низак ниво буке током операције.
  • Добар имунитет на околину и дуг век трајања захваљујући својој робусној конструкцији.
• мане:
  • Ниска максимална снага, што га чини непогодним за енергетски интензивне примене.
  • Ограничени излази напона и флуктуације излазног сигнала.
  • Не постоји изолација између улаза и излаза да је уређај са два терминала.
  • Тешкоће у производњи великих размера и ограничења у неким стандардним апликацијама.

Модели и примери: Тунелске диоде 1N3716 и 1N3755

Међу историјским и најкоришћенијим моделима тунелске диоде истичу се КСНУМКСНКСНУМКС y КСНУМКСНКСНУМКС, популаран у микроталасним лабораторијама, телекомуникационим станицама и дизајну прототипова. Оба карактеришу омогућавање веома високих радних фреквенција и ефикасан рад у областима негативног отпора. Познавање специфичних типова као што је Шоткијева диода може допунити разумевање ових уређаја у одређеним контекстима.

El КСНУМКСНКСНУМКС Она приказује карактеристичну криву типичну за тунелске диоде, са релативно ниским вршним напоном и оптималном брзином одзива за микроталасне примене и брзо пребацивање. Са своје стране, КСНУМКСНКСНУМКС Нуди сличне спецификације, али се разликује у детаљима као што су радни напон и опсег струје, што омогућава његову употребу у специфичним конфигурацијама високофреквентне електронике.

Поређење са другим типовима диода

Свет диода има широк спектар варијанти, као што су сигналне диоде, Зенер диоде, Шотки диоде или исправљачке диоде. тунелска диода Углавном се разликује по:

• Неће бити корисно за исправљање због високе струје цурења у обрнутом положају.
• Могућност много брже промене стања него Шоткијеве или друге брзе диоде.
• Прикажи регион веома изражен негативан отпор (не постоји код осталих уобичајених диода).
• Да захтевају специфични материјали и допинг за његово оптимално функционисање, за разлику од силицијума уобичајене диоде.

Ове карактеристике чине тунелску диоду специјализованом за нише где други уређаји не могу да се такмиче, иако је њена употреба у потрошачкој електроници ограничена.

Детаљан опис операције: Фазе циклуса VI

Да би се разумело његово понашање, неопходно је анализирати сваку фазу његове карактеристичне криве:

• Применом малог једносмерног напона, носиоци наелектрисања пролазе кроз спој захваљујући тунелском ефекту, генеришући мању струју.
• Са повећањем напетости, валентна и проводљива зона се преклапају, што узрокује брзо повећање струје док се не достигне вршна тачка.
• После врхунца, неусклађеност трака смањује тунелирање, смањујући струју до тачке долине.
• Како тензије настављају да расту, понашање подсећа на понашање конвенционалног споја, а струја поново расте.
• Под обрнутом пристрасношћу, тунелски ефекат и даље омогућава значајну струју, иако је максимални реверзни напон обично низак.

Услови употребе и радна ограничења

El тунелска диода може да издржи релативно високе једносмерне напоне, при чему неки модели достижу и до 500 V, али његов максимални обрнути напон (PIV) Обично је низак, око 40 V у најчешћим примерима. Важно је имати на уму ово ограничење како би се избегла оштећења.

Однос између вршна струја и долинска струја То је кључни параметар за избор правог модела, посебно у применама осцилатора и појачала где су потребни стабилност и амплитуда сигнала у подручју негативног отпора.

Свакодневне ситуације у којима се користи тунелска диода

Упркос њиховој ограниченој употреби, тунелске диоде налазе се у:

• Микроталасна комуникациона опрема.
• Високофреквентни мерачи.
• Извори сигнала у лабораторијама електронске физике.
• Радарски системи који захтевају наносекундне одзиве.

Упркос увођењу нових технологија и материјала, њихова брзина и поузданост их држе релевантним у одређеним специјализованим областима.