Diodo tunnel funzionamento
Circuito del diodo tunnel:
Il circuito equivalente del diodo del tunnel, se distorto nella regione di resistenza negativa, è illustrato nella Figura 12-18. Da tutti tranne le più alte frequenze, la resistenza e l’induttanza della serie possono essere ignorate.
Il circuito equivalente ai diodi risultanti viene quindi ridotto alla combinazione parallela della capacità di giunzione CJ e della resistenza negativa -R. I valori tipici del circuito del circuito di Figura 12-18 sono Rs = 6 Ω, LS = 0,1 NH, CJ = 0,6 pf e r = -75 Ω.
Il diodo del tunnel è stato il primo, e per diversi anni l’unico dispositivo nello stato solido che ha semplicemente richiesto l’applicazione di una piccola tensione di corrente continua affinché una resistenza negativa si manifesti.
Tuttavia, dopo la fine delle esclamazioni iniziali di gioia alla straordinaria invenzione, gli oscillatori del diodo del tunnel sono stati considerati instabili nel loro funzionamento e sono stati quasi respinti.
Le ragioni per l’instabilità sono state successivamente trovate e guarite, e quindi viene utilizzato di nuovo un circuito equivalente di tunnel di diodi, ma ora principalmente per gli amplificatori.
La capacità di giunzione del circuito equivalente del diodo del tunnel dipende fortemente dalla tensione e dalla temperatura dei pregiudizi.
Collegando un circuito regolato direttamente attraverso, indubbiamente darà un oscillatore instabile, soprattutto perché l’efficienza Q del circuito è relativamente bassa.
Tuttavia, se una cavità Q elevata è codarda accoppiata con il diodo, si ottiene un oscillatore altamente stabile, con relativa indipendenza della temperatura, la tensione dei pregiudizi o la variazione dei parametri del diodo.
Descrizione del comportamento:
Il diodo tunnel è un diodo per giunzione PN a semiconduttore. Si differenzia dai soliti diodi di tipo raddrizzatore in quanto i materiali a semiconduttore sono fortemente drogati, forse fino a 1000 volte più che nei diodi ordinari.
Questo drogaggio pesante si traduce in una giunzione che ha uno strato di esaurimento che (con uno spessore tipico di 0,01 μm) è così sottile che impedisce il tunneling.
Inoltre, il dimagrimento della giunzione consente di funzionare nel microonde del diodo perché accorcia considerevolmente il tempo impiegato dai vettori per attraversare la giunzione. Una caratteristica di corrente di corrente per un tipico diodo tunnel di germanio è illustrata nella Figura 12-19.
Possiamo vedere che all’inizio, la corrente verso la parte anteriore aumenta bruscamente quando viene applicata la tensione, dove è aumentata lentamente per un diodo normale (la cui caratteristica è mostrata come confronto).
Inoltre, la corrente invertita è molto più grande per una distorsione posteriore comparabile rispetto ad altri diodi, a causa del dimagrimento della giunzione.
La parte interessante della caratteristica inizia nel punto A sulla curva della Figura 12-19; Questo è il picco di tensione. Mentre la distorsione anteriore aumenta oltre questo punto, l’attuale attaccante cade e continua a scendere fino a raggiungere il punto B; Questa è la tensione della valle.
A B, la corrente inizia ad aumentare e rende molto rapidamente che il pregiudizio è ancora in aumento. Da questo momento, la caratteristica ricorda quella di un diodo ordinario.
Oltre al picco di tensione e alla valle, gli altri due parametri normalmente usati per specificare il comportamento del diodo sono la corrente di picco e la corrente di picco della valle, che sono qui 2 mA e 10, rispettivamente, come indicato.
La caratteristica della tensione del diodo illustra due importanti proprietà del circuito equivalente del diodo tunnel. Prima di tutto, mostra che il diodo ha una resistenza negativa dinamica tra A e B ed è quindi utile per le applicazioni oscillator (e amplificatore).
In secondo luogo, poiché questa resistenza negativa si verifica quando la tensione applicata e la corrente risultanti sono basse, il circuito equivalente del diodo tunnel è un dispositivo relativamente basso.
Un calcolo rapido mostra che per rimanere nella regione di resistenza negativa, la variazione di tensione deve essere limitata a 300 – 50 = 250 mV (picco di picco) = 88,4 mV RMS, mentre l’intervallo di corrente è lo stesso 1,8 Ma (picco di picco) = 0,63 Ma.
La potenza di carico è molto circa 88,4 x 0,635 = 56 μW. Altri fattori sono stati trascurati, ma la figura è del giusto ordine.
Diade Theory:
A meno che l’energia non venga trasmessa agli elettroni di una fonte esterna, l’energia posta dagli elettroni sul lato N della giunzione non è sufficiente per consentire loro di scalare la barriera di giunzione per raggiungere il lato p.
La meccanica quantistica mostra che esiste una piccola ma finita probabilità che un elettrone che abbia abbastanza energia per scalare la barriera possa, tuttavia, essere dall’altra parte se questa barriera è abbastanza sottile, senza alcuna perdita di energia dalla parte dell’elettrone.
Questo è il fenomeno del tunneling che è responsabile del comportamento del diodo sulla regione di interesse.
La Figura 12-20 mostra i diagrammi a livello di energia per il circuito equivalente del diodo tunnel per tre livelli interessanti di pregiudizi.
Le regioni incrociate rappresentano gli stati energetici nella striscia di conduzione occupati da elettroni, mentre le aree ombreggiate mostrano gli stati energetici occupati da elettroni nelle bande di valenza.
I livelli a cui gli stati energetici sono occupati da elettroni su ciascun lato della giunzione sono rappresentati da linee tratteggiate. Quando la tensione di polarizzazione è zero, queste linee sono alla stessa altezza.
Gli elettroni ora possono tunnel su un lato della giunzione rispetto all’altro a causa del suo dimagrimento, ma le correnti di tunneling nelle due direzioni sono uguali. Nessun flusso di flusso complessivo efficace. Questo è illustrato nella Figura 12-20A.
Quando viene applicata una piccola distorsione anteriore alla giunzione, il livello di energia sul lato P viene abbassato (rispetto al lato N). Come mostrato nella Figura I2-20B, gli elettroni sono in grado di tunnel attraverso il lato N.
Ciò è possibile perché gli elettroni della banda di conduzione si trovano di fronte agli stati liberi sul lato p. Il tunneling nell’altra direzione non è possibile, poiché gli elettroni della banda di valenza sul lato P sono ora di fronte alla differenza di energia proibita sulla N. Questa differenza, illustrata qui al massimo, rappresenta il picco della caratteristica del diodo.
Quando la distorsione anteriore viene sollevata oltre questo punto, il tunneling diminuirà, come si può vedere usando la Figura 12-20C. Il livello di energia sul lato P è ora più depresso, con il risultato che un minor numero di elettroni liberi sul lato N si oppone ai livelli di PI non occupati.
Man mano che il pregiudizio aumenta, il potere in avanti diminuisce; Ciò corrisponde alla regione di resistenza negativa della caratteristica del diodo.
Come mostrato nella Figura 12-20c, viene raggiunta una distorsione anteriore da cui non esistono stati liberi di banda di valenza e tunnel opposti e le fermate del tunneling.
Il punto in cui ciò accade è la valle della Figura 12-19, a cui il diagramma corrisponde al livello di energia della Figura 12-20c. Quando la tensione diretta è ulteriormente aumentata, il flusso scorre in avanti e aumenta il flusso “normale”, come con i normali diodi del raddrizzatore.
Notiamo quindi che il curioso fenomeno nei diodi del tunnel non è solo la regione di resistenza negativa, ma anche il picco di corrente verso il fronte che lo precede.
A causa del tunneling attraverso la giunzione stretta, la corrente anteriore inizia inizialmente in quantità molto più elevate rispetto al diodo delicatore. Man mano che la distorsione anteriore è aumentata, il tunneling diventa più difficile, la corrente di tunneling viene ridotta e la regione di resistenza negativa.
Man mano che l’aumento della tensione diretta continua, il tunneling si ferma completamente e il normale funzionamento prende il sopravvento. La valle è il punto in cui inizia questo “ritorno alla normalità”.
Materiali e costruzione:
Sebbene il circuito equivalente al diodo del tunnel possa essere realizzato con qualsiasi materiale a semiconduttore, inizialmente il germanio dell’antimonide di gallio e dell’arseniure di gallio erano preferiti nella pratica.
Tutti hanno piccole differenze di energia proibite e alta mobilità ionica, che sono caratteristiche che portano a una buona operazione ad alta velocità o ad alta velocità. Questi materiali sono preferibili al silicio e ad altri semiconduttori in questo senso.
Come mostrato nella sezione trasversale della Figura 12-21, la costruzione di un diodo tunnel è notevolmente semplice. È ancora un altro vantaggio del dispositivo, soprattutto perché la produzione è anche semplice.
Un punto di stagno molto piccolo, di circa 50 μm di diametro, viene saldato o combinato in una pellet altamente drogata (circa 0,5 mm quadrati) di GE, GASB o GAAS. La base viene quindi saldata a un piedistallo di kovar, utilizzato per la dissipazione del calore, che forma il contatto anodo.
Il contatto del catodo è anche Kovar, collegato al punto di stagno tramite uno schermo a rete utilizzato per ridurre l’induttanza. Il diodo ha un corpo in ceramica e una copertura di tenuta ermetica nella parte superiore. Nota le minuscole dimensioni della confezione di pillole.