Tunneldiode
Bau und Arbeiten von Tunneldioden:
Konstruktion und Funktionsweise von Tunneldioden – Die Tunneldiode (manchmal als Esaki -Diode nach ihrem Erfinder Dr. Leo Esaki bezeichnet) ist eine hohe Leitfähigkeit, die stark mit zwei Junction -Terminals dotiert ist.
Diese Diode unterscheidet sich von der normalen PN -Übergangsdiode in der Menge der Konzentration der Unreinheit. Die Konzentration der Verunreinigung in einer normalen PN -Übergangsdiode beträgt etwa 1 Teil in 108, während in der Tunneldiode die Verunreinigungskonzentration bei 103 bei etwa 1 Teil beträgt.
Aufgrund der Breite der Doping -Doping -Depletionsschicht wird auf einen extrem niedrigen Wert von etwa 10 bis 5 mm reduziert: Die entgegengesetzte Abbauspannung wird ebenfalls auf einen sehr geringen Wert reduziert (Null nähert sich), was zum Auftreten der Diode für eine inverse Spannung führt, und ein Widerstandsabschnitt -wird in Voltapma -Charakteristik der Diode der Diode produziert.
Wir stellen fest, dass die reduzierte Verarmungsschicht dazu führen kann, dass Träger die Kreuzung mit der Lichtgeschwindigkeit durchschlagen, selbst wenn sie nicht genügend Energie hat, um die potenzielle Barriere zu überwinden.
Das Ergebnis ist, dass der große Frontstrom bei einer relativ niedrigen Frontspannung (weniger als 100 mV) erzeugt wird. Ein solcher Leitungsmechanismus, bei dem die Träger laden (nur sehr wenig Energie), die eine Barriere direkt versickern, anstatt darauf zu klettern, wird als Tunneling bezeichnet.
Aus diesem Grund werden solche Dioden als Tunneldioden bezeichnet. Aufgrund des starken Dotierens kann die Tunneldiode sowohl in die entgegengesetzte Richtung als auch in die vordere Richtung führen, wird jedoch im Allgemeinen im vorderen Modus verwendet.
Bau der Tunneldiode:
Der Bau von Tunneldioden erfolgt in der Regel aus Germanium, Arseniure aus Gallium oder Galliumantimonid.
Silizium wird bei der Konstruktion der Tunneldiode nicht verwendet, da das Verhältnis des Maximalwerts des Vorderstroms am Wert des Tals des Tals (dh IP / IV) bei Galliumarseniure (ca. 20) maximal und bei Silizium (ungefähr 3) maximal (ca. 10), aber sehr gering ist.
Tunneldioden werden in der Regel von der Legierung aus Galliumarseniure hergestellt. Ausgangsmaterialien sind hoch dotierte Halbleiterkristalle mit einer Verunreinigungskonzentration von 1025 pro Kubik oder mehr Meter. Der Bau von Tunneldioden ist in Abbildung 8.30 dargestellt.
Eine weitere Anordnung über die Konstruktion von Tunneldioden ist in Abbildung 8.31 dargestellt. Eine solche Tunneldiode wird als Tunneldiode von Pellets bezeichnet.
Es ist zu beachten, dass die Tunneldiode, die ein Gerät mit niedrigem Kraftmark ist, durch Wärme und statische Elektrizität leicht beschädigt werden kann.
Die schematischen Symbole, die üblicherweise für Tunneldioden verwendet werden, sind in Abbildung 8.32 dargestellt.
Charakteristisch für Volt-Ampère: Das Merkmal des vorderen VI einer Tunneldiode ist in Abbildung 8.33 dargestellt. Die vordere Vorspannung erzeugt eine sofortige Leitung – sobald die vordere Verzerrung angewendet wird, wird ein erheblicher Strom erzeugt.
Der Strom erreicht schnell seinen Kammwert, IP, wenn die vordere Vorspannung einen Volt VP -Wert erreicht. Die aktuelle Variation der ursprünglichen Nachbarschaft ist auf einen quantenmechanischen Tunneling von Elektronen durch einen Bereich der schmalen Raumbelastung der Kreuzung zurückzuführen.
Mit der zusätzlichen Zunahme der direkten Spannung beginnt der Diodenstrom zu sinken, bis er seinen Mindestwert erreicht, der als der Strom des IV -Tals bezeichnet wird, der der Spannung des VV -Tals entspricht.
Somit fällt vom Peakpunkt A bis zum Tal B der Diodenstrom mit zunehmender Spannung, was zu einem negativen Widerstand in dieser Region führt. Tatsächlich ist dieser Ab -Teil des Merkmals die nützlichste Eigenschaft der Diode. In dieser Region erzeugt die Diode, anstatt die Kraft zu absorbieren, Leistung.
Somit kann die Tunneldiode als sehr hochfrequenter Oszillator verwendet werden. Für die Spannung, die der Spannung des Tals überlegen ist, nimmt der VV -Strom wie bei jeder normalen Diode zu.
Erschöpfungsregion und Energiebanddiagramme: Das Tunnelphänomen kann unter Verwendung von Energiebanddiagrammen von Halbleitermaterialien P und N erklärt werden.
Aufgrund der starken Doping im Falle einer Tunneldiode ist die Erschöpfungsregion extrem eng und ist daher keine große Barriere für den Elektronenfluss.
Infolgedessen kann eine kleine Front- oder umgekehrte Verzerrung (nicht groß genug, um das Barrierepotential zu überwinden) Lastträger ausreichend Energie liefern, um die Erschöpfungsregion zu überschreiten. In diesem Fall wären das Ladungsträger Tunnel durch die Barriere.
Wenn das Halbleitermaterial normalerweise dotiert ist (Typ N oder Typ P), füllen die Elektronen alle Löcher im Valenzstreifen des Energieniveaus und der Leitungsstreifen sind leer, wie in Abbildung 8.34 (a) dargestellt.
Im Falle eines stark dotierten Halbleiter -P -Materials gibt es einen Elektronenmangel und das Valenzband kann nicht als voll angesehen werden. Das Ergebnis ist, dass in der Oberseite des Valenzstreifens eine Schicht leerer Energieniveaus vorhanden ist, wie in Abbildung 8.34 (b) dargestellt.
Mit einem sehr stark dotierten Halbleitermaterial gibt es eine Fülle von Elektronen. Das Ergebnis ist das; Die Elektronen füllen den Valenzstreifen und erzeugen eine am Boden des Leitungsstreifens gefüllte Schicht aus Energieniveau, wie in Abbildung 8.34 (c) dargestellt.
Das Diagramm der Energiebande für einen stark dotierten unparteiischen Übergang ist in Abbildung 8.35 dargestellt. Beachten Sie, dass der Verarmungsbereich sehr eng ist und dass die auf der N -Seite gefüllten Werte genau denjenigen auf der P entgegengesetzt sind.
In diesem Zustand tritt kein Tunnel auf, da es keine niedrigeren Energieniveaus gibt, zu denen die Elektronen auf jeder Seite den Erschöpfungsbereich überqueren können. Es sollte auch beachtet werden, dass die Leitungs- und Valenzbänder auf der P -Seite (negativ) höher sind als die des N.
Dies ist auf die Bildung einer Erschöpfungsregion und eines Barrierepotentials nach Elektronenübergangsregion N in der Region P zurückzuführen. Die Region hat negative Gebühren verloren und die P -Region hat sie gewonnen.
Wenn die Verbindung gegenüberliegt, bewegt sich die Region von P im Vergleich zum Region n. Infolgedessen werden die auf der P -Seite gefüllten Energieniveaus auf der N -Seite leere Energieniveaus.
In diesem Stadium die Elektronen des Tunnels durch den Bereich der engen Raumbelastung der höheren Energieniveaus auf der P -Seite bis zu den niedrigeren Energieniveaus auf der N -Seite. Trotz der Tatsache, dass der Übergang entgegengesetzt ist, fließt signifikante Strömungen.
Mit der Zunahme der entgegengesetzten Vorspannung immer mehr Elektronen -Tunnel auf der P zur Seite N und einem größeren Strom. Somit ist das entgegengesetzte Merkmal einer Tunneldiode linear, genau wie die eines Widerstands (Abb. 8.33).
Wenn die Tunneldiode vorwärts vorgespannt ist, ähnelt ihr anfängliches Verhalten dem, wenn sie invertiert ist. Jetzt gehen einige der auf der N -Seite gefüllten Energieniveaus auf ein hohes Energieniveau, das der leere Niveau auf der P -Seite (Abb. 8.35).
Der Elektronentunnel tritt nun vom Gesicht N zur Seite p auf. Mit der Zunahme der vorderen Vorspannung immer mehr Elektronen -Tunnel in Seite N auf der p.
Schließlich wird jedoch ein maximales Tunnelisierungsniveau erreicht, wenn ein Streifen von Energieniveaus am Boden des Leitungsstreifens auf der Seite N direkt gegen den Streifen der leeren Energieniveaus am oberen Rand des Valenzstreifens an der Seite P entgegengesetzt ist.
In diesem Stadium erreicht der Diodenstrom seinen IP -Crest -Wert und die vordere Verzerrung ist VP (~ 100 mV). Mit dem zusätzlichen Anstieg der vorderen Verzerrung wird ein Teil des auf der N -Seite gefüllten Energiebegets auf ein Energieniveau erhöht, was einer Energieabweichung entspricht, die auf der Seite p verboten ist.
Elektronen können keinen verbotenen Energieniveau abtöten. Somit ist der Durchflussfluss aufgrund des Tunnelns verringert. Mit einer kontinuierlichen Zunahme der vorderen Vorspannung verringert sich das Tunneling weiter.
Wenn der gesamte Streifen von Streifen am Boden des Leitungsstreifens auf der Seite auf einem Niveau erhöht wird, der der auf der P -Seite verbotenen Energieabweichung entspricht, wird der Stromfluss aufgrund der Tututionalisation auf minimaler Ebene verringert, als der Strom des Tals IV bezeichnet.
Jetzt beginnt jedoch der normale Prozess des Stromflusses durch die voreingespannte Vorspannung, bevor die Vorspannung groß genug wird, um das Barrierer -Potential zu überwinden. Für Spannungen, die die Spannung des VV -Tals überschreiten, steigt der Strom wie in einer normalen Diode an
Diodenparameter: Wir haben gesehen, dass zwischen IP und IV (Punkte A und B auf der VI -charakteristischen Tunneldiode in Abbildung 8.33) der Diodenstrom abnimmt, wobei die durch die Diode angewendete Spannung erhöht wird.
Diese Region der Eigenschaft wird als negativer Widerstandsbereich bezeichnet, und der negative Widerstand von RN der Tunneldiode ist die wichtigste Eigenschaft. Sein Wert kann durch Berechnung der Steigung des Merkmals im Bereich des negativen Widerstands bestimmt werden.
Der Wert des negativen Widerstands unterscheidet sich leicht von einem Punkt zum anderen beim negativen Widerstandsteil des Merkmals. RN ist daher im Zentrum des Bereichs des negativen Widerstands im Allgemeinen angegeben.
Die Parameter einer typischen Tunneldiode sind unten angegeben:
Punktpunkt: 1 – 100 Ma; VP Tippspannung: 50 – 200 mV; Valley IV -Strom: 0,1 – 5 Ma; Talspannung VV: 350 – 500 mV; Vor V: 0,5 – 1 V; Negativer Widerstand RN: – 10 bis – 200 Ω.
Äquivalente Schaltung der Tunneldiode: Die äquivalente Schaltung für eine verzerrte Tunneldiode im Bereich des negativen Widerstands ist in Abbildung 8.36 angegeben.
RS repräsentiert den Widerstand der Verbindung zur Diode des Tunnels und des Halbleitermaterials und liegt bei 5 Ω; LS repräsentiert die Induktivität von Verbindungsdrähten und liegt bei 0,5 NH; Und die CD ist die Verbreitungskapazität des Übergangs und liegt bei 5 bis 100 PF.
Diese Faktoren begrenzen die Frequenz, auf die die Diode betrieben werden kann. Die Frequenz kann von 100 MHz bis 10.000 MHz variieren.
Vor- und Nachteile von Tunneldioden:
Die Vorteile von Tunneldioden sind mit geringen Kosten, geringem Rauschen, Einfachheit, hoher Geschwindigkeit, Einfachheit des Betriebs, geringer Leistung und Umweltimmunität.
Die Nachteile von Tunneldioden sind die Schwingung mit niedriger Ausgangsspannung und ein Gerät mit zwei Anschlüssen. Es kann keine Isolierung zwischen Eingangs- und Ausgangskreisen liefern.
Tunneldiodenanwendungen:
Die Tunneldiode kann als Verstärker, Oszillator oder Schalter verwendet werden. Aufgrund der sehr schnellen Reaktion auf Einträge ist es fast ausschließlich eine Hochfrequenzkomponente.
Die Tunneldiode ist jedoch nicht weit verbreitet, da es sich um ein Gerät mit niedrigem Strom handelt und dass auch andere beste Geräte für die oben aufgeführten Vorgänge verfügbar sind.