Diode tunnel – diode tunnel fonctionnement & diodes tunnel
Construction et travail des diodes de tunnel:
Construction et fonctionnement des diodes de tunnel – La diode tunnel (parfois appelée diode Esaki après son inventeur, le Dr Leo Esaki) est une conductivité élevée, fortement dopée à deux terminaux de la jonction.
Cette diode diffère de la diode normale de jonction PN dans la quantité de concentration d’impureté. La concentration d’impureté dans une diode de jonction PN normale est d’environ 1 partie en 108, tandis que dans la diode du tunnel, la concentration d’impureté est d’environ 1 partie en 103.
En raison de la largeur de la couche de déplétion de dopage à dopage est réduite à une valeur extrêmement faible de l’ordre de 10 à 5 mm: la tension de dégradation inverse est également réduite à une très petite valeur (approchant zéro), ce qui entraîne l’apparition de la diode à casser pour toute tension inverse, et une section de résistance -ve est produite en caractéristique de volt-ampère de la diode.
On constate que la couche de déplétion réduite peut entraîner un coup de poing des porteurs à travers la jonction avec la vitesse de la lumière même lorsqu’elle ne possède pas suffisamment d’énergie pour surmonter la barrière potentielle.
Le résultat est que le grand courant vers l’avant est produit à une tension vers l’avant relativement faible (moins de 100 mV). Un tel mécanisme de conduction dans lequel charge les transporteurs (possédant très peu d’énergie) percuse directement une barrière au lieu de grimper dessus s’appelle le tunneling.
C’est pourquoi de telles diodes sont appelées les diodes de tunnel. En raison du dopage lourd, la diode du tunnel peut conduire en sens inverse ainsi que dans le sens avant, mais il est généralement utilisé en mode biaisé vers l’avant.
Construction de la diode tunnel:
La construction de diodes de tunnel est généralement fabriquée à partir de germanium, arséniure de gallium ou antimonide de gallium.
Le silicium n’est pas utilisé dans la construction de la diode tunnel, car le rapport de la valeur maximale du courant vers l’avant à la valeur du courant de la vallée (c.-à-d. IP / IV) est maximum en cas d’arséniure de gallium (environ 20) et relativement plus petit pour le germanium (environ 10) mais très petit en cas de silicium (environ 3).
Les diodes de tunnel sont généralement fabriquées par l’alliage à partir de l’arséniure de gallium. Les matériaux source sont des cristaux semi-conducteurs hautement dopés avec une concentration d’impureté de l’ordre de 1025 par mètre cube ou plus. La disposition de construction des diodes de tunnel est représentée sur la figure 8.30.
Un autre arrangement de construction de diodes de tunnel est illustré à la figure 8.31. Une telle diode tunnel est appelée diode tunnel de granulés.
Il est à noter que la diode tunnel, étant un dispositif à faible puissance, peut être facilement endommagée par la chaleur et l’électricité statique.
Les symboles schématiques couramment utilisés pour les diodes de tunnel sont représentés sur la figure 8.32.
Caractéristique de Volt-Ampère: La caractéristique de l’avant VI d’une diode tunnel est illustrée sur la figure 8.33. Le biais avant produit une conduction immédiate – dès que le biais avant est appliqué, un courant significatif est produit.
Le courant atteint rapidement sa valeur de crête, IP lorsque le biais avant appliqué atteint une valeur de VP volts. La variation actuelle du voisinage d’origine est due à une tunneling mécanique quantique des électrons à travers une région de charge d’espace étroite de la jonction.
Avec l’augmentation supplémentaire de la tension directe, le courant de diode commence à diminuer jusqu’à ce qu’il atteigne sa valeur minimale, appelée le courant de la vallée IV correspondant à la tension de la vallée VV.
Ainsi, du point de crête A à la vallée B, le courant de diode tombe avec l’augmentation de la tension entraînant une résistance négative dans cette région. En fait, cette partie AB de la caractéristique constitue la propriété la plus utile de la diode. Dans cette région, la diode, au lieu d’absorber la puissance, produit de la puissance.
Ainsi, la diode tunnel peut être utilisée comme oscillateur à très haute fréquence. Pour les tensions supérieures à la tension de la vallée, le courant VV commence à augmenter comme dans toute diode normale.
Région d’épuisement et diagrammes de bande d’énergie: le phénomène de tunneling peut être expliqué à l’aide de diagrammes de bande d’énergie des matériaux semi-conducteurs de type p et n.
En raison du dopage lourd en cas de diode tunnel, la région d’épuisement est extrêmement étroite et, par conséquent, elle ne constitue pas une grande barrière à l’écoulement d’électrons.
En conséquence, un petit biais avant ou inversé (pas assez grand pour surmonter le potentiel de barrière) peut fournir aux porteurs de charge suffisamment d’énergie pour traverser la région d’épuisement. Lorsque cela se produit, les transporteurs de charge seraient des tunnels à travers la barrière.
Lorsque le matériau semi-conducteur est normalement dopé (de type n ou de type p), les électrons remplissent tous les trous dans la bande de valence du niveau d’énergie et de la bande de conduction sont vides comme illustré sur la figure 8.34 (a).
En cas d’un matériau semi-conducteur de type P fortement dopé, il y a une carence en électrons et la bande de valence ne peut pas être prise comme remplie. Le résultat est qu’en haut de la bande de valence, il y a une couche de niveaux d’énergie vides, comme illustré sur la figure 8.34 (b).
Avec un matériau semi-conducteur de type N très fortement dopé, il y a une abondance d’électrons. Le résultat est que; Les électrons remplissent la bande de valence et créent une couche de niveau d’énergie rempli au bas de la bande de conduction, comme illustré sur la figure 8.34 (c).
Le diagramme de la bande d’énergie pour une jonction PN impartiale fortement dopée est illustré à la figure 8.35. Notez que la région de déplétion est très étroite et que les niveaux remplis sur le côté n sont exactement opposés à ceux de la côté p.
Dans cette condition, aucune tunnel ne se produit car il n’y a pas de niveaux d’énergie inférieurs vides auxquels les électrons de chaque côté pourraient traverser la région d’épuisement. Il convient également de noter que les bandes de conduction et de valence sur côté p sont (négativement) plus élevées que celles de la face N.
Cela est dû à la formation d’une région d’épuisement et d’un potentiel de barrière à la suite de électrons traversant la région n à la région p. La région N a perdu des charges négatives et la région p les a gagnés.
Lorsque la jonction est biaisée inverse, la région de p se déplace par rapport à la région n. En conséquence, les niveaux d’énergie remplis sur le côté P deviennent des niveaux d’énergie vides opposés sur le côté n.
À ce stade, les électrons du tunnel à travers la région de charge d’espace étroite des niveaux d’énergie plus élevés sur le côté p vers les niveaux d’énergie inférieurs sur le côté n. Malgré le fait que la jonction est biaisée inverse, des flux de courant significatifs.
Avec l’augmentation du biais inverse, de plus en plus de tunnel d’électrons du côté p à la face n et un courant de courant plus grand. Ainsi, la caractéristique inverse d’une diode tunnel est linéaire, tout comme celle d’une résistance (Fig. 8.33).
Lorsque la diode du tunnel est biaisée vers l’avant, son comportement initial est similaire à celui lorsqu’il est biaisé inversé. Maintenant, certains des niveaux d’énergie remplis sur le côté N passent à un niveau d’énergie élevé que le niveau vide sur le côté p (Fig. 8.35).
Le tunnel d’électron se produit désormais de la face n vers le côté p. Avec l’augmentation du biais avant, de plus en plus de tunnel d’électrons de la face n au côté p.
Finalement, cependant, un niveau maximal de tunnelisation est atteint lorsqu’une bande de niveaux d’énergie remplie au bas de la bande de conduction sur le côté N est directement opposée à la bande de niveaux d’énergie vides au sommet de la bande de valence sur le côté p.
À ce stade, le courant de diode atteint sa valeur de crête IP et le biais avant est VP (≈100 mV). Avec l’augmentation supplémentaire du biais avant, une partie de la bande de niveaux d’énergie remplie sur le côté N est augmentée à un niveau d’énergie correspondant à un écart d’énergie interdit sur la côté p.
Les électrons ne peuvent pas tuer un niveau d’énergie interdit; Ainsi, le flux de courant dû à la tunnelisation est réduit. Avec une augmentation continue du biais avant, le tunneling continue de réduire.
Lorsque toute la bande de niveaux remplies au bas de la bande de conduction sur le côté N est augmentée à un niveau correspondant à l’écart d’énergie interdit sur le côté P, le flux de courant dû à la tunnelisation est réduit au niveau minimum, appelé le courant de la vallée IV.
Maintenant, cependant, le processus normal du flux de courant à travers la jonction biaisée avant commence à prendre le relais, car le biais devient suffisamment grand pour surmonter le potentiel de barrière. Pour les tensions dépassant la tension de la vallée VV, le courant commence à augmenter comme dans une diode normale
Paramètres de diode: Nous avons vu qu’entre IP et IV (points A et B sur la caractéristique VI de la diode tunnel illustré sur la figure 8.33) Le courant de diode diminue avec l’augmentation de la tension appliquée à travers la diode.
Cette région de la caractéristique est appelée région de résistance négative, et la résistance négative RN de la diode du tunnel est sa propriété la plus importante. Sa valeur peut être déterminée en calculant la pente de la caractéristique dans la région de résistance négative.
La valeur de la résistance négative diffère légèrement d’un point à l’autre sur la partie de résistance négative de la caractéristique. RN est donc généralement spécifié au centre de la région de résistance négative.
Les paramètres d’une diode tunnel typique sont donnés ci-dessous:
IP de courant de pointe: 1 – 100 mA; Tension de pointe VP: 50 – 200 mV; Courant de la vallée IV: 0,1 – 5 mA; Valley Tension VV: 350 – 500 mV; Biais avant V: 0,5 – 1 V; Résistance négative RN: – 10 à – 200 Ω.
Circuit équivalent de diode tunnel: Le circuit équivalent pour une diode tunnel biaisée dans la région de résistance négative est donné sur la figure 8.36.
RS représente la résistance des entraînements de connexion à la diode du tunnel et au matériau semi-conducteur, et est de l’ordre de 5 Ω; LS représente l’inductance des fils de connexion et est de l’ordre de 0,5 NH; et le CD est la capacité de diffusion de la jonction et est de l’ordre de 5 à 100 pf.
Ces facteurs limitent la fréquence à laquelle la diode peut être opérée. La fréquence peut varier de 100 MHz à 10 000 MHz.
Avantages et inconvénients des diodes de tunnel:
Les avantages des diodes de tunnel sont à faible coût, à faible bruit, à la simplicité, à la grande vitesse, à la facilité de fonctionnement, à la faible puissance et à l’immunité environnementale.
Les inconvénients des diodes tunnel sont sa faible oscillation de tension de sortie et étant un dispositif à deux terminal, il ne peut pas fournir d’isolement entre les circuits d’entrée et de sortie.
Applications de la diode tunnel:
La diode tunnel peut être utilisée comme amplificateur, oscillateur ou commutateur. En raison de la réponse très rapide aux entrées, il s’agit presque exclusivement d’un composant à haute fréquence.
La diode tunnel est cependant pas largement utilisée car il s’agit d’un dispositif à faible courant et également que d’autres meilleurs appareils sont disponibles pour les opérations énumérées ci-dessus.