Туннельный диод
 Туннельный диод 1N3716 (с перемычкой 0,1 дюйма для шкалы) | |
| Тип | Пассивный |
|---|---|
| Working principle | Квантовое туннелирование |
| Изобретенный | Лео Эсаки Юрико Куросе [1] |
| Первое производство | Сони |
| Конфигурация контактов | анод и катод |
| Электронный символ | |
 | |
Туннельный диод или диод Эсаки — это тип полупроводникового диода , который имеет эффективное « отрицательное сопротивление » из-за квантово-механического эффекта, называемого туннелированием . Его изобрели в августе 1957 года Лео Эсаки и Юрико Куросе во время работы в токийской компании Tsushin Kogyo, ныне известной как Sony . [1] [2] [3] [4] В 1973 году Эсаки получил Нобелевскую премию по физике за экспериментальную демонстрацию эффекта туннелирования электронов в полупроводниках. [5] Роберт Нойс независимо разработал идею туннельного диода, работая на Уильяма Шокли , но ему не хотелось ее реализовывать. [6] Туннельные диоды были впервые произведены Sony в 1957 году. [7] за ними последовали General Electric и другие компании примерно с 1960 года, и сегодня они до сих пор производятся в небольших объемах. [8]
Туннельные диоды имеют сильно легированный положительный-отрицательный (PN) переход шириной около 10 нм (100 Å ). Сильное легирование приводит к нарушению запрещенной зоны , где зоны проводимости состояния электронов на N-стороне более или менее совпадают с валентной зоны дырочными состояниями на P-стороне. Обычно они изготавливаются из германия , но также могут быть изготовлены из арсенида галлия , антимонида галлия (GaSb) и кремниевых материалов.
Использование
[ редактировать ]Отрицательное дифференциальное сопротивление в части рабочего диапазона позволяет им работать в качестве генераторов и усилителей , а также в схемах переключения с использованием гистерезиса . Они также используются в качестве преобразователей частоты и детекторов . [9] : 7–35 Их низкая емкость позволяет им работать на микроволновых частотах, намного превышающих диапазон обычных диодов и транзисторов .
Из-за низкой выходной мощности туннельные диоды не получили широкого распространения: их радиочастотная выходная мощность ограничена несколькими сотнями милливатт из-за небольшого размаха напряжения. Однако в последние годы были разработаны новые устройства, использующие туннельный механизм. Резонансно -туннельный диод (RTD) достиг одних из самых высоких частот среди всех твердотельных генераторов. [10]
Другой тип туннельного диода — это диод металл-изолятор-изолятор-металл (MIIM), в котором дополнительный изолирующий слой обеспечивает « ступенчатое туннелирование » для более точного управления диодом. [11] Существует также диод металл-изолятор-металл (МИМ), но из-за присущей ему чувствительности его нынешнее применение, по-видимому, ограничено исследовательскими средами. [12]
Операция прямого смещения
[ редактировать ]При нормальном режиме прямого смещения , когда напряжение начинает увеличиваться, электроны сначала туннелируют через очень узкий барьер PN-перехода и заполняют электронные состояния в зоне проводимости на N-стороне, которые выравниваются с дырочными состояниями пустой валентной зоны на P-стороне. PN-перехода. По мере дальнейшего увеличения напряжения эти состояния становятся все более рассогласованными, и ток падает. Это называется отрицательным дифференциальным сопротивлением , поскольку ток уменьшается с увеличением напряжения. Когда напряжение увеличивается за пределы фиксированной точки перехода, диод начинает работать как обычный диод, в котором электроны перемещаются за счет проводимости через PN-переход, а не туннелируют через барьер P-N-перехода. Наиболее важной рабочей областью туннельного диода является область «отрицательного сопротивления». Его график отличается от графика обычного диода с PN-переходом.
Операция обратного смещения
[ редактировать ]
При использовании в обратном направлении туннельные диоды называются обратными диодами (или обратными диодами ) и могут действовать как быстрые выпрямители с нулевым напряжением смещения и исключительной линейностью для силовых сигналов (они имеют точную квадратичную характеристику в обратном направлении). При обратном смещении заполненные состояния на стороне P все больше выравниваются с пустыми состояниями на стороне N, и электроны теперь туннелируют через барьер PN-перехода в обратном направлении.
Технические сравнения
[ редактировать ]
В обычном полупроводниковом диоде проводимость имеет место, когда PN-переход смещен в прямом направлении, и блокирует ток, когда переход смещен в обратном направлении. Это происходит до точки, известной как «напряжение обратного пробоя», в которой начинается проводимость (часто сопровождающаяся разрушением устройства). В туннельном диоде концентрации легирующей примеси в слоях P и N увеличиваются до такого уровня, что напряжение обратного пробоя становится равным нулю и диод проводит ток в обратном направлении. Однако при прямом смещении возникает эффект, называемый квантовомеханическим туннелированием , который приводит к появлению области в зависимости напряжения от тока, где увеличение прямого напряжения сопровождается уменьшением прямого тока. Эту область « отрицательного сопротивления » можно использовать в твердотельной версии динатронного генератора, в котором обычно используется тетродный термоэлектронный клапан ( вакуумная лампа ).
Приложения
[ редактировать ]Туннельный диод показал большие перспективы в качестве генератора и высокочастотного порогового (триггерного) устройства, поскольку он работал на частотах, намного превышающих возможности тетрода: даже в микроволновых диапазонах. Туннельные диоды применяются в гетеродинах для телевизионных тюнеров УВЧ , триггерных схемах в осциллографах , схемах высокоскоростных счетчиков и схемах генераторов импульсов с очень быстрым нарастанием времени. В 1977 году приемник Intelsat V спутниковый использовал входной каскад микрополоскового туннельного диодного усилителя (TDA) в диапазоне частот 14–15,5 ГГц. Такие усилители считались самыми современными, с лучшими характеристиками на высоких частотах, чем любой транзисторный входной каскад. [13] Туннельный диод также можно использовать в качестве малошумящего усилителя СВЧ. [9] : 13–64 С момента его открытия более традиционные полупроводниковые устройства превзошли его производительность, используя традиционные методы генераторов. Для многих целей устройство с тремя выводами, такое как полевой транзистор, является более гибким, чем устройство только с двумя выводами. Практичные туннельные диоды работают при токе в несколько миллиампер и несколько десятых вольт, что делает их устройствами малой мощности. [14] Диод Ганна имеет аналогичные высокочастотные характеристики и может выдерживать большую мощность.
Туннельные диоды также более устойчивы к ионизирующему излучению, чем другие диоды. [ нужна ссылка ] Это делает их хорошо подходящими для условий с более высоким уровнем радиации, например, в космосе.
Долголетие
[ редактировать ]Туннельные диоды подвержены повреждению при перегреве, поэтому при их пайке необходима особая осторожность.
Туннельные диоды отличаются долговечностью: устройства, выпущенные в 1960-х годах, до сих пор функционируют. В статье для журнала Nature Эсаки и соавторы заявляют, что полупроводниковые устройства в целом чрезвычайно стабильны, и предполагают, что срок их хранения должен быть «бесконечным», если хранить их при комнатной температуре . Далее они сообщают, что мелкомасштабное испытание устройств 50-летней давности дало «отрадное подтверждение долговечности диода». Как было замечено на некоторых образцах диодов Esaki, позолоченные железные контакты могут подвергнуться коррозии и замкнуться на корпус. Обычно это можно диагностировать и лечить с помощью простого метода перекиси/уксуса, который обычно используется для ремонта печатных плат телефона, и внутренний диод обычно все еще работает. [15]
Излишки российских компонентов также надежны, и их часто можно купить за несколько пенсов, несмотря на то, что первоначальная стоимость находится в диапазоне 30–50 фунтов стерлингов.Обычно продаваемые устройства изготовлены на основе GaAs и имеют I pk ⁄ I v Соотношение 5:1 при токе около 1–20 мА I pk , поэтому необходимо защищать от перегрузки по току. [16]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б США 3033714 , выдан 8 мая 1962 г.
- ^ Эсаки, Лео (15 января 1958 г.). «Новое явление в узких германиевых p−n-переходах» . Физический обзор . 109 (2): 603–604. Бибкод : 1958PhRv..109..603E . дои : 10.1103/PhysRev.109.603 .
- ^ Эсаки, Реона (Лев); Куросе, Юрико; Судзуки, Такаши (1957). Внутренняя автоэмиссия на Ge PN-переходе . Ежегодное собрание Физического общества Японии, 1957 год . Проверено 7 июля 2024 г.
- ^ «Диод Эсаки, глава 9. Транзистор модели 2T7, часть I, история Sony» . Корпорация Сони. 1996 год . Проверено 4 апреля 2018 г. В первом публичном отчете об открытии (презентация на 12-м ежегодном собрании Физического общества Японии в октябре 1957 года) Такаси Судзуки, который был студентом Токийского научного университета и проходил стажировку в Токийском Цусин Когё под руководством Эсаки, был соавтором. Судзуки вместе с Юрико Куросе впервые наблюдали отрицательное дифференциальное сопротивление, когда тестировали сильно легированные PN-переходы.
- ^ «Нобелевская премия по физике 1973 года: речь на церемонии награждения» . NobelPrize.org . Проверено 17 декабря 2023 г.
- ^ Берлин, Лесли (2005). Человек за микрочипом: Роберт Нойс и изобретение Кремниевой долины . Оксфорд, Великобритания: Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-516343-5 .
- ^ История полупроводников Sony (на японском языке). Архивировано из оригинала 2 февраля 2009 года.
- ^ Росткий, Георгий. «Туннельные диоды: убийцы транзисторов» . ЭЭ Таймс . Архивировано из оригинала 7 января 2010 года . Проверено 2 октября 2009 г.
- ^ Jump up to: а б Финк, Дональд Г. , изд. (1975). Справочник инженера-электронщика . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: МакГроу Хилл. ISBN 0-07-020980-4 .
- ^ Браун, скорая помощь; Седерстрем, младший; Паркер, CD; Махони, LJ; Молвар, КМ; МакГилл, Техас (18 марта 1991 г.). «Колебания до 712 ГГц в резонансно-туннельных диодах InAs/AlSb» (PDF) . Письма по прикладной физике . 58 (20): 2291. Бибкод : 1991ApPhL..58.2291B . дои : 10.1063/1.104902 . ISSN 0003-6951 . Архивировано из оригинала (PDF) 23 сентября 2015 года . Проверено 26 декабря 2012 г.
- ^ Конли, Джон (4 сентября 2013 г.). «Прогресс электроники приближается к миру за пределами кремния» . Инженерный колледж ОГУ .
- ^ «Диод MIM: еще один претендент на корону в области электроники» . Научно-техническая история . 19 ноября 2010 года. Архивировано из оригинала 24 декабря 2016 года . Проверено 4 января 2017 г.
- ^ Мотт, RC (ноябрь 1978 г.). «Исследование коэффициента шума туннельных диодов Intelsat V 14 ГГц». Технический обзор COMSAT . 8 : 487–507. Бибкод : 1978COMTR...8..487M . ISSN 0095-9669 .
- ^ Тернер, Л.В., изд. (1976). Справочник инженера-электронщика (4-е изд.). Лондон, Великобритания: Ньюнс-Баттерворт. стр. 8–18. ISBN 0-408-00168-2 .
- ^ Эсаки, Лео; Аракава, Ясухико; Китамура, Масатоши (2010). «Диод Эсаки по-прежнему остается звездой радио, спустя полвека» . Природа . 464 (7285): 31. Бибкод : 2010Natur.464Q..31E . дои : 10.1038/464031b . ПМИД 20203587 .
- ^ «Русские туннельные диоды» . w140.com . ТекВики . Проверено 13 ноября 2023 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
