Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Туннельный диод
Туннельный диод GE 1N3716.jpg
Туннельный диод 1N3716 (с перемычкой 0,1 " для шкалы)
ТипПассивный
Принцип работыКвантово-механический эффект, называемый туннелированием
ИзобрелЛео Эсаки
Юрико Куросе [1]
Такаши Судзуки [2] [3]
Первое производствоSony
Конфигурация контактованод и катод
Электронный символ
Туннельный диод symbol.svg
Германиевый туннельный диод 10 мА, установленный в испытательном стенде измерителя кривой Tektronix 571

Туннельный диод или Эсаки диод представляет собой тип полупроводникового диода , который имеет фактически « отрицательное сопротивление » в связи с квантово - механического эффекта , называемого туннелирования . Он был изобретен в августе 1957 года Лео Эсаки , Юрико Куросе и Такаши Судзуки, когда они работали в Tokyo Tsushin Kogyo, ныне известной как Sony . [1] [2] [3] [4] В 1973 году Эсаки вместе с Брайаном Джозефсоном получил Нобелевскую премию по физике за открытие эффекта электронного туннелирования, используемого в этих диодах. Роберт Нойснезависимо разработал идею туннельного диода во время работы на Уильяма Шокли , но не одобрял ее реализации. [5] Туннельные диоды были впервые произведены Sony в 1957 году [6], а затем General Electric и другими компаниями примерно с 1960 года, и до сих пор производятся в небольших объемах. [7]

Туннельные диоды имеют сильно легированный переход между положительным и отрицательным полюсом (PN) шириной около 10 нм (100  Å ). Сильное легирование приводит к нарушенной запрещенной зоне , где электронные состояния зоны проводимости на N-стороне более или менее выровнены с дырочными состояниями валентной зоны на P-стороне. Обычно они изготавливаются из германия , но также могут изготавливаться из арсенида галлия и кремниевых материалов.

Использует [ редактировать ]

Их «отрицательное» дифференциальное сопротивление в части их рабочего диапазона позволяет им работать как генераторы и усилители , а также в схемах переключения с использованием гистерезиса . Они также используются как преобразователи частоты и детекторы . [8] : 7–35 Их низкая емкость позволяет им работать на сверхвысоких частотах, намного превышающих диапазон обычных диодов и транзисторов .

Туннельный диодный усилитель 8–12 ГГц, около 1970 г.

Из - за их низкую выходную мощность, не используется широко туннельные диоды: Их ВЧ выход ограничен до нескольких сот милливатт из - за их небольшой размах напряжения. Однако в последние годы были разработаны новые устройства, использующие туннельный механизм. Резонансно-туннельный диод (RTD) , достиг некоторых из самых высоких частот любого твердотельного генератора. [9]

Другой тип туннельного диода - диод металл – изолятор – изолятор – металл (МИИМ), в котором дополнительный слой изолятора позволяет « ступенчатое туннелирование » для более точного управления диодом. [10] Существует также диод металл-изолятор-металл (MIM), но из-за присущей ему чувствительности его настоящее применение, похоже, ограничено исследовательскими средами. [11]

Операция прямого смещения [ править ]

При нормальном прямом смещении , когда напряжение начинает расти, электроны сначала туннелируют через очень узкий барьер PN-перехода и заполняют электронные состояния в зоне проводимости на N-стороне, которые выравниваются с пустыми дырочными состояниями валентной зоны на P-стороне. PN перехода. При дальнейшем увеличении напряжения эти состояния становятся все более несовместимыми, и ток падает. Это называется отрицательным дифференциальным сопротивлением, потому что ток уменьшается с увеличениемНапряжение. Когда напряжение увеличивается за пределами фиксированной точки перехода, диод начинает работать как обычный диод, где электроны перемещаются за счет проводимости через PN-переход, а не за счет туннелирования через барьер PN-перехода. Наиболее важной рабочей областью туннельного диода является область «отрицательного сопротивления». Его график отличается от обычного диода с PN переходом.

Операция обратного смещения [ править ]

Основная статья: Обратный диод
Кривая зависимости I от V аналогична характеристической кривой туннельного диода. Он имеет «отрицательное» дифференциальное сопротивление в заштрихованной области напряжения между V 1 и V 2 .

При использовании в обратном направлении туннельные диоды называются обратными диодами (или обратными диодами ) и могут действовать как быстрые выпрямители с нулевым напряжением смещения и крайней линейностью для сигналов мощности (они имеют точную квадратичную характеристику в обратном направлении). При обратном смещении заполненные состояния на P-стороне все больше выравниваются с пустыми состояниями на N-стороне, и теперь электроны туннелируют через барьер PN-перехода в обратном направлении.

Технические сравнения [ править ]

Кривая зависимости I от V германиевого туннельного диода 10 мА, снятая на измерителе кривой Tektronix, модель 571 .

В обычном полупроводниковом диоде проводимость имеет место, когда PN-переход смещен в прямом направлении, и блокирует ток, когда переход имеет обратное смещение. Это происходит до точки, известной как «обратное напряжение пробоя», в которой начинается проводимость (часто сопровождаемая разрушением устройства). В туннельном диоде концентрации примеси в слоях P и N увеличиваются до такого уровня, что обратное напряжение пробоя становится равным нулю, а диод проводит в обратном направлении. Однако при прямом смещении возникает эффект, называемый квантово-механическим туннелированием, который приводит к возникновению области зависимости напряжения от тока, где увеличение прямого напряжения сопровождается уменьшениемв прямом токе. Эта область « отрицательного сопротивления » может быть использована в твердотельной версии динатронного генератора, который обычно использует термоэмиссионный клапан тетрода ( вакуумная трубка ).

Приложения [ править ]

Туннельный диод показал большие перспективы в качестве генератора и высокочастотного порогового (триггерного) устройства, поскольку он работал на частотах, намного превышающих возможности тетрода: в микроволновых диапазонах. Применения туннельных диодов включают гетеродины для телевизионных тюнеров УВЧ , схемы запуска в осциллографах , схемы высокоскоростных счетчиков и схемы генератора импульсов с очень быстрым нарастанием. В 1977 году спутниковый приемник Intelsat  V использовал входной микрополосковый туннельный диодный усилитель (TDA) в полосе частот 14–15,5 ГГц. Такие усилители считались самыми современными, с лучшими характеристиками на высоких частотах, чем любые входные каскады на транзисторах . [12]Туннельный диод можно также использовать в качестве малошумящего СВЧ-усилителя. [8] : 13–64 С момента своего открытия более традиционные полупроводниковые устройства превзошли свои характеристики с использованием традиционных методов генерации. Для многих целей устройство с тремя выводами, такое как полевой транзистор, более гибкое, чем устройство с двумя выводами. Практические туннельные диоды работают при нескольких миллиампер и нескольких десятых вольта, что делает их маломощными устройствами. [13] Ганна диод имеет аналогичную возможность высокой частоты и может обрабатывать больше энергии.

Туннельные диоды также более устойчивы к ионизирующему излучению, чем другие диоды. [ необходима цитата ] Это делает их хорошо подходящими для условий с более высоким уровнем излучения, например, в космосе.

Долголетие [ править ]

Туннельные диоды подвержены повреждению из-за перегрева, поэтому при их пайке требуется особая осторожность.

Туннельные диоды отличаются своей долговечностью, и приборы 1960-х годов все еще работают. В статье в Nature Эсаки и соавторы заявляют, что полупроводниковые устройства в целом чрезвычайно стабильны, и предполагают, что их срок годности должен быть «бесконечным» при хранении при комнатной температуре . Далее они сообщают, что небольшое испытание устройств 50-летней давности выявило «отрадное подтверждение долговечности диода». Как было замечено на некоторых образцах диодов Esaki, позолоченные стальные штыри могут на самом деле корродировать и замыкать корпус. Обычно это можно диагностировать и лечить с помощью простой техники перекиси / уксуса, обычно используемой для ремонта печатных плат телефона, и диод внутри обычно все еще работает. [14]

Излишки российских компонентов также надежны и часто могут быть куплены за несколько пенсов, несмотря на то, что первоначальная стоимость находилась в диапазоне 30–50 фунтов стерлингов. Блоки , как правило , проданные на основе GaAs , и имеют I рк / I v соотношении 5: 1 в пределах 1-20 мА I рк , и поэтому они должны быть защищены от перегрузки по току. [15]

См. Также [ править ]

  • Лавинный диод
  • Диод Ганна
  • IMPATT диод
  • Лямбда диод
  • Резонансно-туннельный диод
  • Туннельный переход
  • Стабилитрон

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b «Полупроводниковый прибор диодного типа» . Патент США. 3 033 714.
  2. ^ a b Esaki, L .; Kurose, Y .; Сузуки, Т. (1957). «Соединение Ge PN の Излучение внутреннего поля» .日本 物理学 会 年 会 講演 予 稿. 12 (5): 85.
  3. ^ a b «Глава 9: Транзистор модели 2T7» . www.sony.net . История Sony. Sony Global . Проверено 4 апреля 2018 года .
  4. ^ Эсаки, Лев (15 января 1958). «Новое явление в узких p − n-переходах германия» . Физический обзор . 109 (2): 603–604. Bibcode : 1958PhRv..109..603E . DOI : 10.1103 / PhysRev.109.603 .
  5. ^ Берлин, Лесли (2005). Человек, стоящий за микрочипом: Роберт Нойс и изобретение Кремниевой долины . Оксфорд, Великобритания: Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-516343-5.
  6. ^ ソ ニ ー 半導体 の 歴 史(на японском языке). Архивировано из оригинального 2 -го февраля 2009 года.
  7. ^ Rostky, Джордж. «Туннельные диоды: убийцы транзисторов» . EE Times . Архивировано из оригинального 7 -го января 2010 года . Проверено 2 октября 2009 года .
  8. ^ a b Финк, Дональд Г. , изд. (1975). Справочник инженера-электронщика . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Макгроу Хилл. ISBN 0-07-020980-4.
  9. ^ Браун, ER; Söderström, JR; Паркер, КД; Махони, LJ; Молвар, КМ; McGill, TC (18 марта 1991 г.). «Колебания до 712 ГГц в резонансно-туннельных диодах InAs / AlSb» (PDF) . Письма по прикладной физике . 58 (20): 2291. Bibcode : 1991ApPhL..58.2291B . DOI : 10.1063 / 1.104902 . ISSN 0003-6951 .  
  10. ↑ Конли, Джон (4 сентября 2013 г.). «Развитие электроники приближается к миру за пределами кремния» . Инженерный колледж ОГУ .
  11. ^ "MIM-диод: еще один претендент на корону электроники" . SciTechStory . 19 ноября 2010 года Архивировано из оригинала 24 декабря 2016 года . Проверено 4 января 2017 года .
  12. Перейти ↑ Mott, RC (ноябрь 1978 г.). «Исследование коэффициента шума туннельного диода Intelsat V 14 ГГц». COMSAT Технический обзор . 8 : 487–507. Bibcode : 1978COMTR ... 8..487M . ISSN 0095-9669 . 
  13. ^ Тернер, LW, изд. (1976). Справочник инженера-электронщика (4-е изд.). Лондон, Великобритания: Ньюнес-Баттерворт. С. 8–18. ISBN 0-408-00168-2.
  14. ^ Эсаки, Лео; Аракава, Ясухико; Китамура, Масатоши (2010). «Диод Esaki по-прежнему остается звездой радио, спустя полвека» . Природа . 464 (7285): 31. Bibcode : 2010Natur.464Q..31E . DOI : 10.1038 / 464031b . PMID 20203587 . 
  15. ^ "Русские туннельные диоды" . w140.com . TekWiki . Проверено 4 апреля 2018 года .

Внешние ссылки [ править ]

  • "Учебник по туннельным диодам" .