Yüksek hızlı cihazların milisaniyeler içinde görev yapmasını sağlayan elektronik bileşenlerin nasıl çalıştığını hiç merak ettiniz mi? Cevap, modern elektroniğin en tuhaf ve büyüleyici unsurlarından birinde yatıyor olabilir: tünel diyotOlarak da bilinir Esaki diyotBu cihaz, geleneksel elektronikte daha az yaygın olmasına rağmen, yüksek frekanslı ve yüksek hızlı uygulamalarda ona önemli bir rol kazandıran benzersiz özelliklere sahiptir.
Bu makalede, tünel diyotların dünyasına, kökenlerine, kuantum işlemlerine, yapıldıkları malzemelere, ayırt edici elektriksel özelliklerine, avantajlarına ve sınırlamalarına ve güncel uygulamalarına dalacağız. Ayrıca, aşağıdaki gibi belirli modelleri de inceleyeceğiz: 1N3716 veya 1N3755Bu minik bileşenin sektörde neden devrim yarattığını ve sınırlamalarına rağmen son teknoloji ürünlerinde neden vazgeçilmez olmaya devam ettiğini keşfetmeye hazır olun.
Tünel veya Esaki diyot nedir?
El tünel diyot, olarak da adlandırılır Esaki diyot 1973 yılında Nobel Fizik Ödülü'ne layık görülen mucidi Leo Esaki'nin adını taşıyan, yarı iletken diyotların özel bir türüdür. ağır katkılı PN bağlantısı ve dar. Bu yoğun katkılama, kuantum mekaniksel bir fenomenin, tünel etkisi, yük taşıyıcılarının klasik yasalara göre yapmamaları gereken durumlarda bile potansiyel bariyerini aştıkları.
PN bağlantısı önemli ölçüde daha düşük bir safsızlık konsantrasyonuna (yaklaşık 1'da 10 kısım) sahip olan standart sinyal diyotlarıyla karşılaştırıldığında8), tünel diyot, yaklaşık olarak, dopingi aşırı seviyelere çıkarır 1'da 10 kısım3Bu bir aşırı dar tükenme veya fakirleşme bölgesiTünel etkisinin ortaya çıkması için anahtar nokta budur.
Çalışma prensibi: Kuantum tünelleme etkisi
Bir operasyon tünel diyot Kuantum mekaniğine dayanır; elektronların klasik bakış açısına göre bir potansiyel bariyerini aşmak için yeterli enerjileri olmasa bile sanki içinden "tünelleme" yapıyormuş gibi bariyerin içinden geçebilmeleri sonlu bir olasılıktır. tünelleme olasılığı diyotun PN ekleminde yüksek oranda katkı maddesi bulunmasıyla elde edilen bariyer ne kadar düşükse, o kadar artar.
Matematiksel olarak, bir parçacığın bir bariyeri geçme olasılığı P, hem parçacığın hem de parçacığın bir bariyeri geçme olasılığına üstel olarak bağlıdır. bariyer enerjisi (Eb) onun itibariyle genişlik (K):
P α exp(-A × Eb × W)
Burada A, malzemenin özelliklerine bağlı bir sabittir. Önemli olan, tünel diyotta bu bariyerin o kadar ince olmasıdır ki, teorikten daha düşük bir enerji bile elektronların onu geçmesi için yeterlidir.
Yapı ve malzemeler: Silikonun ötesinde
Geleneksel silikon diyotların aksine, tünel diyotlar Bunlar genellikle şu şekilde yapılır: germanyum, galio arseniuru o galyum antimonitSilisyum kullanılmamasının nedeni, yukarıda belirtilen malzemelerin maksimum akım (tepe akımı) ile minimum akım (vadi akımı) arasında daha iyi bir orana izin vermesidir; bu, bileşenin pratik uygulamalarında önemlidir. Normal bir PN bağlantısının önemli kalınlıkta bir tükenme bölgesi vardır; tünel diyotta bu bölge 100 kata kadar daha dardır, yaklaşık 10 nanometre.
La yüksek kirlilik konsantrasyonu PN bağlantısının her iki tarafında olması, yük taşıyıcılarının çoğunun (elektronlar ve delikler) büyük miktarlarda mevcut olduğu ve çok küçük potansiyel farklarında bile tünelleme etkisini desteklediği anlamına gelir. Sonuç olarak, ultra hızlı anahtarlama için uygun, son derece hassas bir cihaz haline gelir.
Elektriksel özellikler: Negatif direnç ve VI eğrileri
Bir tanesi en çarpıcı özellikler tünel diyotunun gösterdiği şey negatif direnç voltaj-akım (VI) karakteristik eğrisinin bir kısmında. Bu, ileri voltaj arttıkça akımın ilk önce hızla artarak bir maksimuma (tepe noktası) ulaştığı, ancak daha sonra voltaj daha da artarsa akımın bir minimuma (vadi noktası) düştüğü ve daha sonra geleneksel bir diyotta olduğu gibi tekrar arttığı anlamına gelir.
Bu olgu, negatif direnç bölgesi, yüksek frekanslı salınımların üretilmesi gibi birçok tünel diyot uygulamasının temelidir. Karakteristik eğri aşağıdaki temel noktalarda özetlenebilir:
- Başlangıç iletim bölgesi: Doğru akım voltajı arttıkça akım da artar.
- Tepe noktası: İlgili voltaj (Vp) ile maksimum akım (Ip).
- Negatif direnç bölgesi: Gerilim artsa bile akım, vadi noktasına kadar azalır.
- Vadi noktası: vadi voltajı (Vv) ile minimum akım (Iv).
- Bundan sonraki davranışı sıradan bir diyotun davranışına benzer.
Ters önyargıda, tünel diyot Ayrıca tünel etkisi sayesinde yüksek iletkenliğe sahip olup, düşük voltajlarda bile yüksek ters akımın dolaşmasına olanak sağlar.
Elektriksel sembol ve eşdeğer devre
El semboloji Tünel diyotunun elektrik şemalarındaki temsili biraz farklılık gösterebilir, ancak esasen özel davranışını belirtmek için belirgin bir şekle sahip bir PN bağlantısı gösterir. Anot (P) ve katot (N) açıkça ayırt edilmiştir.
Için devre analizi, aşağıdakileri içeren küçük sinyal eşdeğer modeli kullanılır:
- bir negatif direnç (-Ro) negatif direnç bölgesi ile ilişkilidir.
- bir seri endüktans (Ls) diyot terminalleri boyunca.
- bir bağlantı kapasitansı (C).
Bu eleman kombinasyonu, tünel diyotunun yüksek frekanslı uygulamalardaki davranışını yansıtır ve farklı koşullar altındaki tepkisini tahmin etmek için önemlidir.
Tünel diyotların başlıca uygulamaları
Onun yüzünden kişinin sürüş durumunu hızla değiştirme konusunda olağanüstü yetenek, tünel diyot özellikle şunlar için endikedir:
- Mikrodalga ve yüksek frekanslı osilatörler: Telekomünikasyon, radar ve kablosuz sistemlerde olmazsa olmaz olan istikrarlı elektrik salınımlarını yaratmak ve sürdürmek için negatif direnç bölgesinden yararlanırlar.
- Yansıma amplifikatörleri: Geleneksel transistörlerin iyi çalışmadığı frekanslarda amplifikasyonun gerekli olduğu konfigürasyonlarda kullanılır.
- Yüksek hızlı anahtarlar: Sürüş ve sürüş dışı durumlar arasındaki geçişin neredeyse anında gerçekleşmesi sayesinde.
- Dönüştürücüler de frecuencia:Hem ileri hem de geri yönde çalışabilme özelliği sinyal mikserlerinde kullanılmasına olanak sağlar.
- Dijital devrelerde mantıksal bellekler: Negatif direnç bölgesindeki kararlılığı geçici bilgi depolamak için kullanılır.
Yüksek frekans için avantajlar sunmalarına rağmen, geleneksel düzeltme için uygun değildir Önemli ters önyargı kaçak akımı nedeniyle yaygın kullanımını sınırlamaktadır.
Tünel diyotunun avantajları ve dezavantajları
El tünel diyot Avantajları ve dezavantajları dikkate alınması gereken benzersiz özelliklere sahiptir. Avantajları arasında, bir ultra hızlı çalışma hızı y düşük gürültüAncak bunun da sınırlamaları var, örneğin; düşük maksimum güç ve çalışma voltajına ilişkin kısıtlamalar.
- Avantaj:
- Ultra yüksek çalışma hızı, mikrodalga bantlarında anahtarlama ve sinyal üretimi için uygundur.
- Düşük üretim maliyeti ve diğer yüksek frekanslı cihazlara kıyasla yapıcı basitlik.
- düşük gürültü operasyon sırasında.
- İyi çevresel bağışıklık ve sağlam yapısı sayesinde uzun kullanım ömrüne sahiptir.
- Dezavantajları:
- Düşük maksimum güçBu da onu enerji yoğun uygulamalar için uygunsuz hale getirir.
- Sınırlı voltaj çıkışları ve çıkış sinyalindeki dalgalanmalar.
- Giriş ve çıkış arasında izolasyon yoktur iki terminalli bir cihaz olması.
- Büyük ölçekli üretimde zorluk ve bazı standart uygulamalardaki sınırlamalar.
Modeller ve örnekler: Tünel diyotları 1N3716 ve 1N3755
Tarihsel ve en çok kullanılan modeller arasında; tünel diyotlar öne çıkmak 1N3716 y 1N3755, mikrodalga laboratuvarlarında, telekomünikasyon istasyonlarında ve prototip tasarımlarında popülerdir. Her ikisi de çok yüksek çalışma frekanslarına izin verme ve negatif direnç bölgelerinde etkili bir şekilde yanıt verme özelliğiyle karakterize edilir. Schottky diyot gibi belirli tiplerin bilgisi belirli bağlamlarda bu cihazların anlaşılmasını tamamlayabilir.
El 1N3716 Tünel diyotlara özgü karakteristik bir eğri sunar, nispeten düşük tepe voltajı ve mikrodalga uygulamaları ve hızlı anahtarlama için optimum tepki hızı sunar. Kendi adına, 1N3755 Benzer özellikler sunmasına rağmen çalışma voltajı ve akım aralığı gibi detaylarda farklılıklar gösterir ve bu da belirli yüksek frekanslı elektronik konfigürasyonlarında kullanılmasına olanak tanır.
Diğer diyot tipleriyle karşılaştırma
Diyot dünyasında sinyal diyotları, Zener diyotları, Schottky diyotları veya doğrultucu diyotları gibi çok çeşitli çeşitler bulunmaktadır. tünel diyot Başlıca şu şekilde farklılaşır:
- Düzeltme için yararlı olmayacaktır yüksek ters önyargı kaçak akımı nedeniyle.
- Durumu çok daha hızlı değiştirebilmek Schottky veya diğer yüksek hızlı diyotlardan daha iyidir.
- Bir bölgeyi göster çok belirgin negatif direnç (diğer yaygın diyotlarda yoktur).
- Gerektirmek özel malzemeler ve doping normal diyotun silikonundan farklı olarak, optimum çalışması için.
Bu özellikler tünel diyotunu, diğer cihazların rekabet edemeyeceği nişlerde uzmanlaşmış hale getirir, ancak tüketici elektroniğinde kullanımı sınırlıdır.
Ayrıntılı işlem: VI. döngünün aşamaları
Davranışını anlamak için karakteristik eğrisinin her bir fazını analiz etmek esastır:
- Küçük bir doğrudan voltaj uygulanarak, yük taşıyıcıları tünel etkisi sayesinde kavşaktan geçerek daha düşük bir akım üretirler.
- Gerginliğin artmasıyla, değerlik ve iletim bantları üst üste binerek tepe noktasına ulaşana kadar akımda hızlı bir artışa neden olur.
- Zirveden sonraBantların hizasızlığı tünellemeyi azaltarak vadi noktasına olan akımın azalmasına neden olur.
- Gerilimler artmaya devam ederken, davranış geleneksel bir kavşağın davranışına benzer ve akım tekrar yükselir.
- Ters önyargı altında, tünel etkisi hala önemli bir akıma izin verir, ancak maksimum ters voltaj genellikle düşüktür.
Kullanım koşulları ve çalışma sınırları
El tünel diyot nispeten yüksek doğrudan voltajlara dayanabilir, bazı modeller 500 V'a kadar ulaşır, ancak maksimum ters voltaj (PIV) Genellikle düşüktür, en yaygın örneklerde 40 V civarındadır. Hasarı önlemek için bu sınırlamayı akılda tutmak önemlidir.
Aralarındaki ilişki tepe akımı ve vadi akıntısı Özellikle negatif direnç bölgesinde kararlılık ve sinyal genliğinin gerekli olduğu osilatör ve amplifikatör uygulamalarında doğru modelin seçilmesinde önemli bir parametredir.
Tünel diyotunun kullanıldığı günlük durumlar
Sınırlı kullanımlarına rağmen, tünel diyotlar şurada bulunmaktadır:
- Mikrodalga haberleşme ekipmanları.
- Yüksek frekanslı metreler.
- Elektronik fizik laboratuvarlarındaki sinyal kaynakları.
- Nanosaniyelik tepkiler gerektiren radar sistemleri.
Yeni teknolojiler ve malzemeler ortaya çıkmasına rağmen, bunların hızı ve güvenilirliği belirli uzmanlık alanlarında önemini korumaktadır.
