Diode tunnel fonctionnement
Circuit équivalent à diode de tunnel:
Le circuit équivalent de la diode du tunnel, lorsqu’il est biaisé dans la région de résistance négative, est illustré à la figure 12-18. Du tout sauf les fréquences les plus élevées, la résistance et l’inductance de la série peuvent être ignorées.
Le circuit équivalent à diodes résultant est ainsi réduit à la combinaison parallèle de la capacité de jonction CJ et de la résistance négative – R. Les valeurs typiques des composantes du circuit de la figure 12-18 sont RS = 6 Ω, LS = 0,1 nh, CJ = 0,6 pf et r = -75 Ω.
La diode du tunnel était la première, et pendant plusieurs années le seul dispositif à l’état solide qui a simplement nécessité l’application d’une petite tension en courant continu pour une résistance négative pour se manifester.
Cependant, après la fin des exclamations initiales de joie à l’invention remarquable, les oscillateurs de diode de tunnel ont été jugés instables dans leur fréquence d’opération et ont été presque rejetés.
Les raisons de l’instabilité ont par la suite été trouvées et guéries, et donc un circuit équivalent de diode tunnel est à nouveau utilisé, mais maintenant principalement pour les amplificateurs.
La capacité de jonction du circuit équivalent de la diode du tunnel dépend fortement de la tension et de la température de biais.
La connexion d’un circuit réglé directement en travers, il donnera sans aucun doute un oscillateur instable, d’autant plus que l’efficacité Q du circuit est relativement faible.
Cependant, si une cavité à Q élevé est lâchement couplée à la diode, un oscillateur hautement stable est obtenu, avec une indépendance relative de la température, de la tension de biais ou de la variation des paramètres de diode.
Description du comportement:
La diode du tunnel est une diode de jonction PN semi-conductrice. Il diffère des diodes de type redresseur habituelles en ce que les matériaux semi-conducteurs sont très fortement dopés, peut-être jusqu’à 1000 fois plus que dans les diodes ordinaires.
Ce dopage lourd se traduit par une jonction qui a une couche de déplétion qui (avec une épaisseur typique de 0,01 μm) est si mince qu’elle empêche le tunneling.
De plus, la minceur de la jonction permet le fonctionnement au micro-ondes de la diode car il raccourcit considérablement le temps pris par les porteurs pour traverser la jonction. Une caractéristique de courant de courant pour une diode de tunnel de germanium typique est illustrée à la figure 12-19.
On voit qu’au début, le courant vers l’avant augmente fortement à mesure que la tension est appliquée, où elle aurait augmenté lentement pour une diode ordinaire (dont la caractéristique est montrée à titre de comparaison).
De plus, le courant inversé est beaucoup plus grand pour un biais arrière comparable que dans les autres diodes, en raison de la minceur de la jonction.
La partie intéressante de la caractéristique commence au point A sur la courbe de la figure 12-19; Ceci est le pic de tension. Alors que le biais avant augmente au-delà de ce point, le courant vers l’avant tombe et continue de baisser jusqu’à ce que le point B soit atteint; Ceci est la tension de la vallée.
À B, le courant recommence à augmenter et le fait très rapidement que le biais augmente encore. À partir de ce moment, la caractéristique ressemble à celle d’une diode ordinaire.
Outre le pic de tension et la vallée, les deux autres paramètres normalement utilisés pour spécifier le comportement de la diode sont le courant de crête et le rapport de courant de crête à vallée, qui sont ici 2 mA et 10, respectivement, comme indiqué.
La caractéristique de la tension de diode illustre deux propriétés importantes du circuit équivalent de la diode du tunnel. Tout d’abord, il montre que la diode présente une résistance négative dynamique entre A et B et est donc utile pour les applications d’oscillateur (et amplificateur).
Deuxièmement, car cette résistance négative se produit lorsque la tension appliquée et le courant résultant sont faibles, le circuit équivalent de la diode tunnel est un dispositif relativement faible.
Un calcul rapide montre que pour rester dans la région de résistance négative, la variation de tension doit être limitée à 300 – 50 = 250 mV (pic à pic) = 88,4 mV RMS, tandis que la plage de courant est de même 1,8 mA (pic à pic) = 0,63 mA.
La puissance de charge est très environ 88,4 x 0,635 = 56 μW. D’autres facteurs ont été négligés, mais le chiffre est du bon ordre.
Théorie des diodes:
À moins que l’énergie ne soit transmise aux électrons d’une source externe, l’énergie posée par les électrons du côté N de la jonction est insuffisante pour leur permettre de gravir la barrière de la jonction pour atteindre le côté p.
La mécanique quantique montre qu’il existe une probabilité petite mais finie qu’un électron qui a suffisamment d’énergie pour gravir la barrière peut, néanmoins, se retrouver de l’autre côté si cette barrière est suffisamment mince, sans aucune perte d’énergie de la partie de l’électron.
Il s’agit du phénomène de tunneling qui est responsable du comportement de la diode sur la région d’intérêt.
La figure 12-20 montre des diagrammes au niveau de l’énergie pour le circuit équivalent de la diode tunnel pour trois niveaux de biais intéressants.
Les régions à hachutes croisées représentent les états d’énergie dans la bande de conduction occupée par des électrons, tandis que les zones ombrées montrent les états énergétiques occupés par des électrons dans les bandes de valence.
Les niveaux auxquels les états d’énergie sont occupés par des électrons de chaque côté de la jonction sont représentés par des lignes pointillées. Lorsque la tension de polarisation est nulle, ces lignes sont à la même hauteur.
Les électrons peuvent désormais tunnel d’un côté de la jonction à l’autre en raison de sa minceur, mais les courants de tunneling dans les deux directions sont les mêmes. Aucun flux de courant global efficace. Ceci est illustré à la figure 12-20A.
Lorsqu’un petit biais avant est appliqué à la jonction, le niveau d’énergie du côté p est abaissé (par rapport au côté N). Comme le montre la figure I2-20B, les électrons sont capables de tunnel à travers le côté N.
Cela est possible car les électrons de la bande de conduction se retrouvent en face des états vacants du côté p. Le tunneling dans l’autre sens n’est pas possible, car les électrons de la bande de valence du côté p sont désormais en face de l’écart d’énergie interdit du côté N. Cet écart, illustré ici à son maximum, représente le pic de la caractéristique de la diode.
Lorsque le biais avant est soulevé au-delà de ce point, le tunneling diminuera, comme on peut le voir à l’aide de la figure 12-20c. Le niveau d’énergie du côté P est désormais davantage déprimé, avec le résultat que moins d’électrons libres côté N sont opposés à des niveaux d’énergie côté P inoccupés.
À mesure que le biais est augmenté, le courant vers l’avant tombe; Cela correspond à la région de résistance négative de la caractéristique de la diode.
Comme le montre la figure 12-20c, un biais avant est atteint à laquelle il n’y a pas d’états vacants de bande de valence opposés et de tunnels, et le tunneling s’arrête complètement.
Le point auquel cela se produit est la vallée de la figure 12-19, auquel correspond le diagramme au niveau de l’énergie de la figure 12-20c. Lorsque la tension directe est encore augmentée, les flux de courant vers l’avant «normaux» s’écoulent et augmentent, comme avec les diodes de redresseur ordinaires.
On constate ainsi que le phénomène curieux dans les diodes de tunnel n’est pas seulement la région de résistance négative mais aussi le pic de courant vers l’avant qui le précède.
En raison de la tunneling à travers la jonction étroite, le courant vers l’avant s’écoule initialement en quantités beaucoup plus élevées que dans une diode de redresseur. À mesure que le biais avant est augmenté, le tunneling devient plus difficile, le courant de tunneling est réduit et la région de résistance négative en résulte.
Au fur et à mesure que l’augmentation de la tension directe se poursuit, le tunneling s’arrête complètement et l’opération normale prend le dessus. La vallée est le point où commence ce «retour à la normalité».
Matériaux et construction:
Bien que le circuit équivalent à diode de tunnel puisse être fabriqué à partir de n’importe quel matériau semi-conducteur, initialement le germanium puis l’antimonide de gallium et l’arséniure de gallium ont été préférés dans la pratique.
Tous ont de petits écarts d’énergie interdits et des mobilités d’ions élevées, qui sont des caractéristiques conduisant à une bonne opération à haute fréquence ou à grande vitesse. Ces matériaux sont préférables au silicium et à d’autres semi-conducteurs à cet égard.
Comme le montre la section transversale de la figure 12-21, la construction d’une diode tunnel est remarquablement simple. C’est encore un autre avantage de l’appareil, d’autant plus que la fabrication est également simple.
Un très petit point d’étain, d’environ 50 μm de diamètre, est soudé ou allié en un granulé fortement dopé (environ 0,5 mm carré) de GE de type N, GASB ou GAAS. Le culot est ensuite soudé à un piédestal de kovar, utilisé pour la dissipation de chaleur, qui forme le contact anode.
Le contact de la cathode est également Kovar, connecté au point d’étain via un écran de maillage utilisé pour réduire l’inductance. La diode a un corps en céramique et un couvercle de scellage hermétique sur le dessus. Notez les minuscules dimensions de l’emballage de pilules.