دیود تونلی چیست؟

دیود تونلی چیست ؟

دیود تونلی یک دیود اتصال p-n است که به شدت دوپ شده است. دیود تونل مقاومت منفی نشان می دهد. هنگامی که مقدار ولتاژ افزایش می یابد، جریان مستقیم کاهش می یابد. دیود تونل بر اساس اثر تونل کار می کند. اثر تونل‌زنی بر اساس علم مکانیک کوانتوم می باشد.

 

شماتیک دیود تونلی چیست ؟

لئو اساکی دیود تونل را در آگوست 1957 اختراع کرد. بنابراین، دیود اساکی نیز نامیده می شود. مواد مورد استفاده برای این دیود عبارتند از ژرمانیوم، آرسنید گالیم و سایر مواد سیلیکونی. دیود تونلی در محدوده عملکرد خود مقاومت منفی نشان می دهد. بنابراین، می توان از آن به عنوان تقویت کننده، نوسانگر و در هر مدار سوئیچینگ استفاده کرد.

عرض منطقه تخلیه در دیود تونل

هنگامی که حامل‌های شارژ متحرک، هم الکترون‌های آزاد و هم حفره‌ها از دست می‌روند، ناحیه‌ای در پیوند p-n، دارای ناحیه‌ای به نام ناحیه تخلیه (Depletion Region) است. برای توقف جریان الکترون ها از نیمه هادی نوع n و حفره های نیمه هادی نوع p، ناحیه تخلیه به عنوان یک مانع عمل می کند.

نیمه هادی های نوع p و نوع n به دلیل تعداد ناخالصی های بیشتر در یک دیود تونلی به شدت با هم دوقطبی می‌شوند. دوپینگ سنگین منجر به یک منطقه تخلیه باریک می شود. در مقایسه با دیودهای اتصال p-n معمولی، دیود تونلی دارای عرض تخلیه باریک تری است. بنابراین، هنگامی که مقدار کمی ولتاژ اعمال می شود، جریان الکتریکی کافی در دیود تونل تولید می کند.

اثر تونل زنی در دیود تونلی چیست ؟

در الکترونیک و فیزیک، تونل زنی به عنوان حرکت مستقیم الکترون ها در سراسر ناحیه تخلیه کوچک از نوار رسانایی سمت n به نوار ظرفیت سمت p شناخته می شود. در واقع در تونل زنی الکترون ها به جای پریدن از نوار تخلیه، به دلیل باریک بودن عرض ناحیه تخلیه، از عرض آن عبور می کنند یا به اصطلاح تونل می‌زنند. در یک دیود اتصال n-p، هر دو یون مثبت و منفی منطقه تخلیه را تشکیل می دهند. به دلیل این یون ها، پتانسیل الکتریکی داخلی یا میدان الکتریکی در منطقه تخلیه می شود. این میدان الکتریکی در جهت مخالف ولتاژ اعمال شده خارجی، نیروی الکتریکی اعمال می کند.

با کاهش عرض ناحیه تخلیه، الکترون ها می توانند به راحتی از محل اتصال(ناحیه تخلیه) عبور کنند. حامل های بار برای حرکت در محل اتصال به هیچ شکلی از انرژی جنبشی نیاز ندارند. در عوض، حامل ها از محل ناحیه تخلیه عبور می کنند. این اثر تونل سازی نامیده می شود و از این رو دیود را تونل دیود می نامند.

دیود تونلی و بایاس معکوس

با توجه به تونل زنی، زمانی که مقدار ولتاژ پیشروی پایین باشد، مقدار جریان پیشرو تولید شده زیاد خواهد بود. دیود تونلی می‌تواند در بایاس رو به جلو و همچنین بایاس معکوس عمل کند. به دلیل دوپینگ بالا، می تواند به صورت بایاس معکوس عمل کند. با توجه به کاهش پتانسیل مانع، مقدار ولتاژ شکست معکوس نیز کاهش می یابد. و به مقدار صفر می رسد. این ولتاژ معکوس کوچک منجر به خرابی دیود می شود. از این رو، این منطقه مقاومت منفی ایجاد می کند.

ادامه دیود تونلی چیست...

دیود تونلی بی طرف

در یک دیود تونلی بی طرف، هیچ ولتاژی به دیود تونل اعمال نخواهد شد. در اینجا، به دلیل دوپینگ سنگین نوار رسانایی نیمه هادی نوع n با باند ظرفیتی از مواد نوع p همپوشانی دارد. الکترون ها در سمت n و حفره ها در سمت p با یکدیگر همپوشانی دارند و در یک سطح انرژی خواهند بود.

هنگامی که دما افزایش می‌یابد، برخی از الکترون‌ها از باند رسانایی ناحیه n به باند ظرفیت ناحیه p تونل می‌زنند. به همین صورت ، حفره ها از باند ظرفیت ناحیه p به نوار هدایت ناحیه n حرکت خواهند کرد. و گویی تونل زنی را جبران کرده اند. پس در نهایت، جریان خالص صفر خواهد بود زیرا تعداد مساوی از الکترون ها حفره هایی هستند که در جهت مخالف جریان دارند.

P α e (-A *E *b *W)

P – احتمال عبور ذره از مانع

W – عرض مانع

E – انرژی مانع

ولتاژ کوچک اعمال شده به دیود تونل

هنگامی که یک ولتاژ کوچک، که مقدار کمتری نسبت به ولتاژ داخلی ناحیه تخلیه دارد، به دیود تونل اعمال شود، جریان بایاس مستقیم اتفاق نمی افتد. با این وجود، تعداد حداقلی از الکترون ها از باند رسانایی ناحیه n شروع به تونل زدن به نوار ظرفیت در ناحیه p می کنند.

بنابراین، با این حرکت یک جریان کوچک تونلی بایاس رو به جلو ایجاد می کند. هنگامی که یک ولتاژ کوچک اعمال می شود، جریانی ناشی از تونل زنی اتفاق می افتد.

ادامه دیود تونلی چیست …

 رفتار دیود تونل با افزایش ولتاژ

هنگامی که مقدار ولتاژ اعمال شده افزایش می یابد، تعداد الکترون های آزاد تولید شده در سمت n و حفره ها در سمت p نیز افزایش می یابد. به دلیل افزایش ولتاژ، همپوشانی بین باندها نیز افزایش می یابد.

حداکثر جریان تونل زمانی جریان می یابد که سطح انرژی نوار رسانایی n سمت و سطح انرژی باند ظرفیت سمت p برابر شود.

افزایش بیشتر ولتاژ اعمال شده به دیود تونلی

افزایش بیشتر ولتاژ اعمالی باعث ناهماهنگی جزئی در باند هدایت و باند ظرفیت می شود. هنوز هم همپوشانی بین نوار هدایت و باند ظرفیت وجود خواهد داشت. الکترون ها از نوار رسانش به باند ظرفیت ناحیه p حرکت می کنند. بنابراین، این باعث می شود جریان کمی ایجاد شود. بنابراین، جریان تونل شروع به کاهش می کند.

ولتاژ تا حد زیادی افزایش یافته به دیود تونل اعمال می شود

هنگامی که ولتاژ اعمال شده به حداکثر افزایش یابد، جریان تونل صفر خواهد بود. در این سطوح ولتاژ، باند ظرفیت و نوار هدایت با هم همپوشانی ندارند. این باعث می شود که دیود تونل مانند دیود اتصال P-N عمل کند.

هنگامی که ولتاژ اعمال شده بیشتر از پتانسیل داخلی لایه تخلیه باشد، جریان مستقیم شروع به عبور از دیود تونل می کند. در این شرایط با افزایش ولتاژ، قسمت جریان در منحنی کاهش می یابد و این همان مقاومت منفی دیود تونل است.

چنین دیودهایی که در ناحیه مقاومت منفی کار می کنند به عنوان تقویت کننده یا نوسان ساز استفاده می شوند.

 ویژگی های دیود تونل

به دلیل بایاس مستقیم و دوپینگ سنگین، هدایت دوپینگ در دیود اتفاق می افتد. حداکثر جریانی که یک دیود به آن می رسد Ip و ولتاژ اعمال شده Vp است. زمانی که مقدار بیشتری ولتاژ اعمال شود، مقدار جریان کاهش می یابد. جریان تا زمانی که به مقدار حداقلی برسد کاهش می یابد.

حداقل مقدار کوچک جریان Iv است. از نمودار بالا مشاهده می شود که با افزایش ولتاژ جریان از نقطه A به B کاهش می یابد. این ناحیه مقاومت منفی دیود است. در این منطقه دیود تونلی به جای جذب نیروی مخالفی تولید می کند.

کاربردهای دیود تونلی

• دیود تونلی را می توان به عنوان کلید(سوییچ)، تقویت کننده و نوسان ساز استفاده کرد.
• از آنجایی که سرعت پاسخ گویی بالایی دارد، در مدارات فرکانس بالا استفاده می شود.
• دیود تونل به عنوان دستگاه ذخیره سازی حافظه منطقی عمل می کند.
• دیود تونلی در مدارهای نوسان ساز و در گیرنده های FM استفاده می شوند.

دیود جریان متناوب