دیود تونلی چیست؟ معرفی کامل تونل دیود

دیود تونلی (همچنین به عنوان دیود اساکی شناخته می شود) نوعی دیود نیمه هادی است که به دلیل اثر مکانیکی کوانتومی (به نام تونل زنی)، به طور موثر “مقاومت منفی” دارد. دیودهای تونلی دارای یک اتصال pn شدید دوپینگ هستند که حدود 10 نانومتر عرض دارد. دوپینگ سنگین منجر به شکاف باند می شود ، جایی که حالت های الکترون باند رسانایی در طرف N کم و بیش با حالتهای حفره نوار ظرفیت در سمت P هماهنگ هستند.

استفاده از ترانزیستورها در محدوده فرکانس بسیار بالا به دلیل زمان گذر و سایر اثرات منع می شود. بسیاری از دستگاه ها از ویژگی رسانایی منفی نیمه هادی ها برای پروژه های فرکانس بالا استفاده می کنند. دیود تونل یکی از رایج ترین دستگاه های رسانای منفی است.

غلظت مواد در ناحیه p و n بسیار زیاد است(در حدود 1024-1025 m-3) محل اتصال pn نیز ناگهانی است. به همین دلایل ، عرض لایه کاهش بسیار کم است. در ویژگی های ولتاژ-جریان دیود تونل، ما می توانیم یک ناحیه شیب منفی را هنگام اعمال یک جهت گیری رو به جلو پیدا کنیم.

نام “دیود تونل” به دلیل تونل مکانیکی کوانتومی است که در دیود رخ می دهد.

ویژگی های دیود تونل

هنگامی که بایاس معکوس اعمال می شود ، سطح فرمی طرف p بالاتر از سطح فرمی سمت n می شود. از این رو ، تونل زنی الکترون ها از نوار تعادل طرف p به نوار رسانایی سمت n صورت می گیرد. با تداخل گرایش معکوس جریان تونل نیز افزایش می یابد.

وقتی بایاس به جلو اعمال می شود ، سطح فرمی n-side بالاتر از سطح فرمی سمت p می شود ، بنابراین تونل زنی الکترون ها از سمت n به سمت p انجام می شود. مقدار جریان تونل بسیار بیشتر از جریان اتصال معمولی است. هنگامی که گرایش به جلو افزایش می یابد ، جریان تونل تا حد معینی افزایش می یابد.

هنگامی که لبه باند طرف n همان سطح فرمی در سمت p باشد ، جریان تونل با افزایش بیشتر در جهت گیری رو به جلو حداکثر می شود و جریان تونل کاهش می یابد و ناحیه رسانایی منفی مورد نظر را بدست می آوریم. هنگامی که سوگیری رو به جلو بیشتر می شود ، جریان اتصال pn معمولی به دست می آید که به طور نمایی متناسب با ولتاژ اعمال شده است. مشخصات V-I دیود تونل داده شده است ،

مقاومت منفی برای دستیابی به نوسان استفاده می شود و اغلب تابع Ck+ فرکانس های بسیار بالایی دارد.

نماد دیود تونلی

علامت دیود تونل در زیر نشان داده شده است.

کاربرد دیود تونلی

دیود تونل نوعی دیود sc است که قادر است بسیار سریع و در محدوده فرکانس بالا کار کند. این اثر مکانیکی کوانتومی است که به عنوان تونل زنی شناخته می شود. برای نوسان سازهای سریع و گیرنده ها به دلیل ویژگی های شیب منفی ایده آل است. اما نمی توان از آن در مدارهای مجتمع بزرگ استفاده کرد – به همین دلیل پروژه های کاربردی آن محدود هستند.

با افزایش ولتاژ ، جریان افزایش می یابد. هنگامی که ولتاژ به اندازه کافی بالا می رود ناگهان جریان دوباره شروع به افزایش می کند و ستاره های دیود تونل مانند یک دیود معمولی رفتار می کنند. به دلیل این رفتار غیر معمول ، می توان از آن در تعدادی از برنامه های ویژه ای که در زیر لیست شده اند استفاده کرد.

مدارهای نوسان ساز:

از دیودهای تونلی می توان به عنوان نوسان ساز فرکانس بالا استفاده کرد زیرا انتقال بین رسانایی الکتریکی بالا بسیار سریع است. از آنها می توان برای ایجاد نوسان تا 5 گیگاهرتز استفاده کرد. حتی آنها قادر به نوسان تا 100 گیگاهرتز در مدارهای دیجیتالی مناسب هستند.

مورد استفاده در مدارهای مایکروویو:

دیود ترانزیستورهای معمولی در محدوده مایکروویو عملکرد خوبی ندارند. بنابراین ، برای ژنراتورهای مایکروویو و تقویت کننده ها از دیود تونل استفاده می شود. در امواج مایکروویو و تجهیزات ارتباطی ماهواره ای از آنها به طور گسترده استفاده می شد ، اما اخیراً استفاده از آنها به سرعت کمتر و کمتر میشود، زیرا ترانزیستور هایی که در این محدوده فرکانس کار می کنند موجود هستند.

مقاوم در برابر تشعشعات هسته ای:

دیودهای تونلی در برابر اثرات میدان های مغناطیسی ، درجه حرارت بالا و رادیواکتیویته مقاوم هستند. به همین دلیل می توان از آنها در تجهیزات نظامی مدرن استفاده کرد. اینها در دستگاه منابع مغناطیسی هسته ای نیز استفاده می شوند. اما مهمترین زمینه استفاده در تجهیزات ارتباطات ماهواره ای است.

نوسان ساز دیود تونلی

دیود تونلی می تواند یک مدار نوسان ساز بسیار پایدار ایجاد کند ، هنگامی که به یک مدار یا حفره تنظیم شده متصل می شود ، در نقطه مرکزی ناحیه مقاومت منفی بایاس دارد. در اینجا نمونه ای از مدار نوسانی دیود تونلی آورده شده است.

محدوده توان خروجی تولید شده چند صد میکرو وات است. این برای بسیاری از پروژه ها در محدوده امواج مایکروویو مفید است. موقعیت فیزیکی تیونر فرکانس کار را تعیین می کند. اگر فرکانس کار با این روش تغییر کند ، به آن تنظیم مکانیکی می گویند. اسیلاتورهای دیود تونل را می توان به صورت الکترونیکی نیز تنظیم کرد.

نوسان سازهای دیود تونل که در فرکانس های مایکروویو کار می کنند ، به طور کلی از نوعی خطوط انتقال به عنوان مدار تونل استفاده می کردند. این نوسان سازها در کاربردهایی که به چند میلی وات توان نیاز دارند مفید هستند ، برای مثال نوسان سازهای محلی برای گیرنده های فوق الکترودین مایکروویو.