トンネルダイオードはEskariダイオードとも呼ばれ、非常に高速な動作が可能な高濃度にドープされた半導体です。江崎玲は1957年8月にトンネルダイオードを発明しました。ゲルマニウム材料は基本的にトンネルダイオードの製造に使用されます。それらはまたガリウム砒素およびシリコン材料から作ることができます。実際には、周波数検出器やコンバーターで使用されています。トンネルダイオードは、動作範囲で負性抵抗を示します。したがって、それはとして使用することができます アンプ 、発振器および任意のスイッチング回路。
トンネルダイオードとは何ですか?
トンネルダイオードは P-N接合 負性抵抗を示すデバイス。電圧が増加すると、流れる電流は減少します。トンネリング効果の原理に基づいて動作します。金属-絶縁体-金属(MIM)ダイオードは別のタイプのトンネルダイオードですが、現在のアプリケーションは感度が継承されているため研究環境に限定されているようで、そのアプリケーションは研究環境に非常に限定されていると考えられています。と呼ばれるもう1つのダイオードがあります 金属-絶縁体-絶縁体-金属(MIIM)ダイオード 追加の絶縁体層が含まれています。トンネルダイオードは、カソードとしてn型半導体、アノードとしてp型半導体を備えた2端子デバイスです。トンネルダイオード 回路記号 以下のようになります。
トンネルダイオード
トンネルダイオードの動作現象
古典力学の理論に基づいて、粒子が障壁の一方の側からもう一方の側に移動する必要がある場合、粒子は位置エネルギー障壁の高さに等しいエネルギーを獲得する必要があります。そうでなければ、エネルギーは何らかの外部ソースから供給されなければならないので、接合部のN側の電子は接合部バリアを飛び越えて接合部のP側に到達する可能性があります。トンネルダイオードのようにバリアが薄い場合、シュレディンガー方程式によれば、確率が高く、電子がバリアを通過することを意味します。このプロセスは、電子側のエネルギー損失なしに発生します。量子力学の振る舞いはトンネリングを示しています。高不純物 P-N接合デバイス トンネルダイオードと呼ばれます。トンネリング現象は、多数キャリア効果を提供します。
P∝exp(-A * E_b * W)
どこ、
「E」は障壁のエネルギーです、
「P」は、粒子がバリアを通過する確率です。
「W」はバリアの幅です
トンネルダイオードの構築
ダイオードの本体はセラミック製で、上部には密閉蓋が付いています。小さなスズドットは、n型Geの高濃度にドープされたペレットに合金化またははんだ付けされます。ペレットは、熱放散に使用されるアノード接点にはんだ付けされます。スズドットはメッシュスクリーンを介してカソード接点に接続され、 インダクタンス 。
トンネルダイオードの構築
操作とその特徴
トンネルダイオードの動作には、主に順方向と逆方向の2つのバイアス方法が含まれます。
順バイアス状態
順方向バイアス条件下では、電圧が増加すると、電流が減少し、負性抵抗として知られる、ますます不整合になります。電圧が上昇すると、通常のダイオードとして動作し、電子の伝導が P-N接合ダイオード 。負性抵抗領域は、トンネルダイオードの最も重要な動作領域です。トンネルダイオードと通常のP-N接合ダイオードの特性は異なります。
逆バイアス状態
逆の状態では、トンネルダイオードはバックダイオードまたはバックワードダイオードとして機能します。オフセット電圧がゼロの場合、高速整流器として機能します。逆バイアス状態では、n側の空の状態がp側の塗りつぶされた状態と整列します。逆方向では、電子はポテンシャル障壁を通り抜けます。ドーピング濃度が高いため、トンネルダイオードは優れた導体として機能します。
トンネルダイオードの特性
前方抵抗は、そのトンネル効果のために非常に小さいです。電圧の増加は、ピーク電流に達するまで電流の増加につながります。ただし、電圧がピーク電圧を超えて増加すると、電流は自動的に減少します。この負性抵抗領域は、谷のポイントまで広がっています。ダイオードを流れる電流は、谷点で最小になります。トンネルダイオードは、谷点を超えている場合、通常のダイオードとして機能します。
トンネルダイオードの電流成分
トンネルダイオードの総電流は以下のとおりです。
私t=私すること+私ダイオード+私過剰
トンネルダイオードを流れる電流は、通常のPN接合ダイオードを流れる電流と同じです。
私ダイオード=私行う*(exp( ? * Vt))-1
私行う –逆飽和電流
Vt –温度に相当する電圧
V –ダイオード両端の電圧
インクルード – Geの補正係数1およびSiの補正係数2
不純物を介した寄生トンネリングにより、過剰電流が発生し、それによって谷点を決定できる追加電流になります。トンネル電流は以下のとおりです。
私すること=(V / R0)* exp(-(V / V0)m)
どこ、 V0 = 0.1〜0.5ボルトおよびm = 1〜3
R0 =トンネルダイオード抵抗
トンネルダイオードのピーク電流、ピーク電圧
トンネルダイオードのピーク電圧とピーク電流は最大です。通常、トンネルダイオードの場合、電圧のカットインはピーク電圧よりも大きくなります。また、過剰電流とダイオード電流は無視できると見なすことができます。
最小または最大のダイオード電流の場合
V = Vピーク、のすること/ dV = 0
(1 / R0)*(exp(-(V / V0)m)-(m *(V / V0)m* exp(-(V / V0)m)= 0
“最大電力伝達定理の証明 ”
次に、1 – m *(V / V0)m= 0
Vpeak =((1 / m)(1 / m))* V0* exp(-1 / m)
トンネルダイオードの最大負性抵抗
小信号の負性抵抗を以下に示します。
Rn= 1 /(dI / dV)= R。0/(1-(m *(V / V0)m)* exp(-(V / V0)m)/ R0= 0
dI / dV = 0の場合、 Rn が最大の場合
(m *(V / V0)m)* exp(-(V / V0)m)/ R0= 0
場合 V = V0*(1 + 1 / m)(1 / m) 次に最大になるので、方程式は次のようになります
(Rn)最大= –(r0*((exp(1 + m))/ m))/ m
トンネルダイオードアプリケーション
- トンネリング機構により、超高速スイッチとして使用されます。
- スイッチング時間は、ナノ秒またはピコ秒のオーダーです。
- 電流からの曲線の3倍の値の特徴により、ロジックメモリストレージデバイスとして使用されます。
- 静電容量、インダクタンス、負性抵抗が非常に小さいため、約10GHzの周波数でマイクロ波発振器として使用されます。
- 負性抵抗のため、弛張発振回路として使用されます。
トンネルダイオードの利点
- 低価格
- 低ノイズ
- 操作のしやすさ
- 高速
- 低電力
- 核放射線に鈍感
トンネルダイオードのデメリット
- 2端子デバイスであるため、出力回路と入力回路を分離しません。
- 1ボルト以下で適切に動作できる電圧範囲。
これはすべてについてです トンネルダイオード 操作、回路図およびそのアプリケーションを備えた回路。この記事に記載されている情報は、このプロジェクトをよりよく理解するのに役立つと信じています。さらに、この記事に関する質問や実装のヘルプ 電気および電子プロジェクト 、下のコメント欄に接続して、お気軽にご連絡ください。ここにあなたへの質問があります、トンネル効果の主な原理は何ですか?
写真クレジット:
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- トンネルダイオードの種類 エンジニアリングエレクトロニクス