Diode đường hầm là một loại diode đặc biệt không hoạt động như một diode bình thường. Bởi vì nó được pha tạp rất nặng, mối nối của nó trở nên cực kỳ mỏng, vì vậy các electron có thể xuyên qua nó ngay cả ở điện áp thấp. Điều này tạo ra một vùng kỳ lạ được gọi là điện trở vi sai âm, nơi dòng điện có thể giảm ngay cả khi điện áp tăng.
Kiến thức cơ bản về Tunnel Diode
Một diode đường hầm có hai thiết bị đầu cuối, giống như một diode tiêu chuẩn. Hai đầu phải được xác định rõ ràng vì thiết bị có thể hoạt động khác với diode tiêu chuẩn trên các dải điện áp cụ thể.
Tên thiết bị đầu cuối
• Cực dương → mặt loại p
• Cực âm → mặt loại n
Sự kiện thiết bị đầu cuối
• Trong phân cực thuận, dòng điện thông thường chạy từ cực dương → cực âm.
• Phân cực vẫn quan trọng và điốt đường hầm cũng có thể dẫn theo phân cực ngược do đường hầm.
• Trên nhiều gói vật lý, cực âm được đánh dấu bằng dải hoặc dấu chấm.
Cấu trúc và đường hầm lượng tử trong diode đường hầm
Trong mối nối p-n tiêu chuẩn, vùng cạn kiệt đủ rộng để các hạt mang chủ yếu vượt qua rào cản bằng cách phun nhiệt. Một diode đường hầm được chế tạo khác nhau: cả phía p và phía n đều được pha tạp rất nhiều, điều này ép vùng cạn kiệt xuống chỉ còn vài nanomet. Với một rào cản mỏng như vậy, các electron có thể đi qua nó bằng đường hầm lượng tử, vì vậy dòng điện đáng chú ý có thể xuất hiện ở điện áp chuyển tiếp rất thấp.
Những thay đổi doping nặng nào (nguyên nhân → tác dụng)
• Doping nặng làm tăng nồng độ chất mang và thu hẹp vùng cạn kiệt.
• Vùng cạn kiệt mỏng hơn có nghĩa là hàng rào năng lượng mỏng hơn trong mối nối.
• Khi rào chắn đủ mỏng, người vận chuyển có thể xuyên qua nó thay vì đi qua nó.
• Điều này cho phép dẫn điện áp thấp và làm cho hành vi tiếp giáp phụ thuộc nhiều vào các thông số hình học và vật liệu.
Đường hầm có nghĩa là gì trong diode này
Trong một diode bình thường, một sóng mang cần đủ năng lượng để vượt qua rào cản. Trong một diode đường hầm, ngay cả khi năng lượng mang nằm dưới đỉnh rào cản, nó vẫn có thể đi qua rào cản do cơ học lượng tử, miễn là có các trạng thái chiếm dụng ở một bên thẳng hàng với các trạng thái trống ở phía bên kia.
Ý nghĩa thiết kế thực tế
• Điện dung tiếp giáp thường cao hơn vì vùng cạn kiệt cực kỳ mỏng.
• Chặn ngược bị hạn chế và điện áp đánh thủng ngược thường thấp hơn so với điốt tiêu chuẩn.
• Hiệu suất nhạy cảm hơn với sự thay đổi và nhiệt độ của quy trình, và hành vi tần số cao phụ thuộc nhiều vào điện dung tiếp giáp và điện cảm gói / dây dẫn.
So sánh nhanh
| Khía cạnh | Diode tiêu chuẩn | Diode đường hầm |
|---|---|---|
| Mức doping (đơn đặt hàng điển hình) | ~10¹⁶–10¹⁸ cm⁻³ | ~10¹⁹–10²⁰ cm⁻³ |
| Độ dày cạn kiệt | Rộng hơn | Rất hẹp |
| Con đường chính mà các hãng vận chuyển băng qua | Chủ yếu vượt qua rào cản | Chủ yếu qua rào chắn (đào hầm) |
| Chặn ngược | Thường mạnh mẽ | Thường bị hạn chế |
Chế độ xem dải năng lượng của Diode đường hầm
Thiên vị bằng không hoặc rất nhỏ
Ở độ lệch bằng không, đường hầm có thể xảy ra theo cả hai hướng vì rào cản mỏng. Dòng điện thuần ở gần bằng không vì đường hầm từ p→n được cân bằng bằng cách đào đường hầm từ n→p.
Xu hướng chuyển tiếp nhỏ: Tăng về phía đỉnh (ip tại vp)
Với một độ lệch nhỏ về phía trước, các dải năng lượng dịch chuyển để các trạng thái lấp đầy ở một bên thẳng hàng với các trạng thái trống ở bên kia. Số lượng đường hầm có sẵn tăng lên, vì vậy dòng chảy tăng lên nhanh chóng.
• Dòng điện đạt dòng điện cực đại Ip ở điện áp đỉnh Vp khi căn chỉnh mạnh nhất.
Độ lệch về phía trước cao hơn: Rơi về phía thung lũng (iv tại vv)
Khi điện áp chuyển tiếp tăng vượt quá Vp, căn chỉnh băng tần trở nên kém hơn. Ít tiểu bang xếp hàng hơn, vì vậy các con đường hầm bị thu hẹp. Dòng điện đường hầm giảm mặc dù điện áp tăng.
• Đây là vùng NDR, trong đó dI/dV < 0.
• Dòng điện rơi xuống dòng điện thung lũng Iv ở điện áp thung lũng Vv.
Độ lệch chuyển tiếp thậm chí còn cao hơn: Dẫn truyền diode bình thường chiếm ưu thế
Ở độ lệch chuyển tiếp đủ cao, đường hầm trở nên yếu vì các trạng thái không còn phù hợp với đường hầm. Dẫn chuyển tiếp thông thường (khuếch tán / phun) trở nên chiếm ưu thế và dòng điện tăng trở lại với điện áp.
Đường cong I–V Diode đường hầm và các thông số chính
Một diode đường hầm có một đường cong I-V thuận đặc biệt: dòng điện tăng lên đỉnh, sau đó giảm xuống thung lũng, sau đó tăng trở lại. "Giảm trong khi điện áp tăng" là vùng điện trở vi sai âm (NDR).
Cách đọc đường cong (mức cao)
• 0 → Vp: đường hầm tăng, dòng điện tăng nhanh.
• Vp → Vv: đường hầm giảm, dòng điện giảm (NDR).
• V > Vv: dẫn diode bình thường chiếm ưu thế, dòng điện tăng trở lại.
Các điểm chính trên đường cong
• Vp (Điện áp đỉnh): điện áp tại điểm dòng điện đường hầm tối đa
• Ip (Dòng điện đỉnh): dòng đường hầm chuyển tiếp tối đa
• Vv (Điện áp thung lũng): điện áp tại điểm tối thiểu sau khi rơi
• Iv (Dòng điện thung lũng): dòng điện tối thiểu trước khi dẫn điện bình thường tăng mạnh
• Ip / Iv (Tỷ lệ đỉnh trên thung lũng): cho biết hành vi NDR rõ rệt như thế nào
Chuyển tiếp các khu vực hoạt động và ghi chú thiên vị
Khu vực A: Đường hầm điện áp thấp (khoảng 0 đến Vp)
• Sử dụng khi bạn muốn hành vi dẫn điện áp thấp bị chi phối bởi đường hầm.
• Giữ ký sinh bố cục nhỏ nếu tín hiệu nhanh hoặc RF.
Khu vực B: Cửa sổ NDR (Vp đến Vv)
• Đây là vùng được sử dụng cho bộ dao động và mạch RF điện trở âm.
• Thiên vị tại điểm hoạt động ổn định bên trong cửa sổ NDR, không phải ngay trên các cạnh.
• Sử dụng mạng thiên vị để ngăn chặn các bước nhảy chạy trốn hoặc không mong muốn giữa các điểm hoạt động.
• Giảm thiểu điện trở nối tiếp bổ sung khi bạn cần hành vi NDR mạnh, vì điện trở nối tiếp làm giảm điện trở âm hiệu quả.
Vùng C: Dẫn chuyển tiếp bình thường (trên Vv)
• Đối xử với nó giống như một vùng diode thông thường (dòng điện tăng theo điện áp).
• Hiệu ứng NDR không còn chiếm ưu thế, vì vậy nó không phải là vùng hoạt động kháng âm.
Kiểm tra thiên vị nhanh (danh sách tỉnh táo nhanh)
• Xác minh điểm phân cực dự kiến so với dữ liệu I–V của thiết bị (Ip, Vp, Iv, Vv).
• Kiểm tra độ lệch nhiệt độ: Dịch chuyển Vp / IP / Iv có thể di chuyển điểm vận hành.
• Kiểm tra ký sinh: Điện cảm Co và gói có thể định hình lại I–V biểu kiến ở tần số cao.
• Xác nhận sự ổn định với mạng xung quanh (đặc biệt là trong hoạt động NDR).
Chế độ phân cực ngược và diode ngược
Một diode đường hầm có thể dẫn dòng điện đáng chú ý ngay cả trong phân cực ngược vì vùng cạn kiệt của nó rất mỏng manh. Khi một điện áp ngược nhỏ được áp dụng, các mức năng lượng có thể thẳng hàng, cho phép các tàu sân bay đào hầm theo hướng ngược lại. Sự dẫn ngược ở điện áp thấp này thường được gọi là chế độ diode ngược.
Đường hầm ngược trông như thế nào
• Một điện áp ngược nhỏ làm thay đổi sự liên kết năng lượng để đường hầm xảy ra theo hướng ngược lại.
• Đường hầm ngược có thể hỗ trợ: Phát hiện RF mức thấp. Trộn hoặc chuyển đổi tần số (trong một số thiết lập mạch)
Tại sao nó không được sử dụng như một bộ chỉnh lưu công suất
• Dẫn ngược có thể bắt đầu ở điện áp ngược thấp, do đó chặn ngược bị hạn chế.
• Xử lý điện áp ngược thường thấp hơn nhiều so với nhiều điốt nguồn.
Vật liệu Diode đường hầm và IP / IV
| Vật liệu | Khoảng cách dải (xấp xỉ) | Xu hướng đào hầm |
|---|---|---|
| Ge (Germanium) | ~0,66 eV | Mạnh ở điện áp thấp |
| GaAs (Gali Arsenide) | ~1.42 eV | Mạnh mẽ với khả năng kiểm soát tốt |
| Si (Silicon) | ~1,12 eV | Thường yếu hơn |
Mạch tương đương Diode đường hầm
| Yếu tố | Ký hiệu | Đại diện | Hiệu ứng chính |
|---|---|---|---|
| Kháng cự âm | −Ro | Độ dốc NDR gần điểm thiên vị | Cho phép khuếch đại hoặc dao động trong điều kiện thích hợp |
| Điện dung tiếp giáp | Công ty | Điện dung tiếp giáp (cạn kiệt) | Hạn chế đáp ứng tần số cao và ảnh hưởng đến cộng hưởng |
| Điện trở nối tiếp | Rs | Tổn thất nội bộ | Giảm độ sắc nét và giảm hiệu suất hiệu quả |
| Điện cảm sê-ri | Ls | Điện cảm chì / gói | Sự thay đổi cộng hưởng có thể ảnh hưởng đến sự ổn định |
Ứng dụng Diode đường hầm
Bộ dao động vi sóng và tạo tín hiệu RF
Với độ lệch trong vùng NDR và mạng cộng hưởng, diode đường hầm có thể tạo ra dao động RF và vi sóng.
Bộ khuếch đại phản xạ và mạch giao diện người dùng RF
Điện trở âm của nó có thể được kết hợp với mạng trở kháng để tạo ra độ lợi RF trong các mạch đầu cuối công suất thấp.
Bộ dao động thư giãn và mạch xung
Vùng NDR hỗ trợ chuyển đổi nhanh giữa các điểm hoạt động, có thể tạo ra dạng sóng xung và thời gian.
Radar và phần cứng kế thừa
Điốt đường hầm vẫn xuất hiện trong một số thiết bị cũ hơn, nơi hành vi của thiết bị đã được chứng minh và ghi chép đầy đủ.
Phát hiện và chuyển đổi tần số
Ở chế độ diode ngược, diode đường hầm có thể phát hiện tín hiệu RF mức thấp ở điện áp thấp và cũng có thể hỗ trợ chuyển đổi tần số.
Kết luận
Điốt đường hầm hoạt động vì pha tạp nặng làm cho mối nối mỏng đến mức đường hầm lượng tử trở thành đường dẫn chính cho dòng điện. Điều này dẫn đến đường cong I-V đỉnh và thung lũng nổi tiếng và vùng kháng vi sai âm. Những tính năng đó làm cho điốt đường hầm hữu ích cho bộ dao động RF và vi sóng, phát hiện tín hiệu nhỏ và mạch xung nhanh. Chúng cũng có các giới hạn, như xử lý điện áp và công suất thấp và chặn ngược yếu.
Câu hỏi thường gặp [FAQ]
Điều gì kiểm soát tỷ lệ Ip / Iv (đỉnh trên đáng)?
Mức pha tạp, chất lượng mối nối (khuyết tật), dải vật liệu và nhiệt độ.
Nhiệt độ thay đổi hành vi của diode đường hầm như thế nào?
Nó dịch chuyển Vp, Ip và Iv và làm suy yếu vùng NDR (thường làm giảm Ip / Iv), có thể di chuyển điểm hoạt động và giảm độ ổn định.
Điều gì giới hạn tần số thực tế cao nhất của diode đường hầm?
Điện dung tiếp giáp (Co), điện trở nối tiếp (Rs) và điện cảm gói / chì (Ls).
Diode đường hầm có thể bị hỏng do phân cực không đúng không?
Đúng. Dòng điện chuyển tiếp hoặc điện áp ngược dư thừa có thể quá nóng hoặc làm hỏng vĩnh viễn mối nối và làm thay đổi các đặc tính I–V.
Tại sao điốt đường hầm không phổ biến trong các thiết kế hiện đại?
Bóng bán dẫn tần số cao và IC RF cung cấp khả năng kiểm soát tốt hơn, độ lợi cao hơn, khả năng mở rộng được cải thiện và xử lý năng lượng lớn hơn.
Diode đường hầm khác với diode ngược như thế nào?
Diode ngược được tối ưu hóa để tạo đường hầm phân cực ngược mạnh (thường để phát hiện không thiên vị), trong khi diode đường hầm được sử dụng để vận hành NDR thuận.
