معرفی کامل دیود تونلی - بخش اول

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، دیود تونل یا تونلی (Tunnel Diode) یک دیود پیوند ناخالصی P-N است که در آن با افزایش ولتاژ، جریان الکتریکی کاهش می‌یابد. در این دیود جریان الکتریکی توسط پدیده تونل‌زنی (سوراخ شدن سد پتانسیل در نیمه رسانا) به وجود می‌آید. دیود‌های تونلی به عنوان ادوات کلید‌زنی بسیار سریع در کامپیوتر‌ها به کار می‌روند. همچنین از این دیود‌ها در نوسان‌ساز‌های فرکانس بالا و تقویت‌کننده‌ها استفاده می‌شود. در این مطلب قصد داریم تا به معرفی این نوع از دیود‌ها بپردازیم و اصول کاری آن‌ها را شرح دهیم و نیز کاربرد‌های این نوع دیود‌ها را بررسی کنیم.

نماد دیود تونل

در دیود تونل نیمه‌رسانای نوع p، به عنوان آند (Anode) و نیمه‌رسانای نوع n. به عنوان کاتد (Cathode) عمل می‌کنند. نماد مداری دیود تونل در شکل زیر نمایش داده شده است.

نماد دیود تونلی
‌
می‌دانیم که آند یک الکترود با بار مثبت است که الکترون‌ها را جذب می‌کند و کاتد الکترودی با ابر منفی است که الکترون‌ها از آن خارج می‌شوند. در دیود تونلی، نیمه‌رسانای نوع n. الکترون از خود ساطع می‌کند، پس به عنوان کاتد در نظر گرفته می‌شود. از طرف دیگر، نیمه‌رسانای نوع p. الکترون‌های خارج شده از نیمه‌رسانای نوع p. را به خود جذب می‌کنند در نتیجه به عنوان آند در نظر گرفته می‌شود.

دیود تونلی چیست؟

دیود‌های تونلی یکی از مهم‌ترین ادوات الکترونیک حالت جامد هستند که در علم الکترونیک ظهور یافته‌اند. این نوع دیود در سال ۱۹۵۸ توسط «لیو ایساکی» (Leo Esaki) اختراع شد. لیو ایساکی در آزمایش‌های خود مشاهده کرده بود که اگر یک دیود نیمه‌رسانا توسط ناخالصی‌ها آلاییده (Doped) شود، مقاومتی منفی را از خود نشان خواهد داد. مقاومت منفی به این معنی است که با افزایش ولتاژ، جریان عبوری از دیود کاهش می‌یابد. در سال ۱۹۷۳ به افتخار کشف اثر تونل‌زنی الکترون (Electron Tunneling Effect) که در دیود‌های تونلی اتفاق می‌افتد، جایزه نوبل فیزیک به او تعلق گرفت. دیود تونلی با نام دیود ایساکی نیز شناخته می‌شود، که به افتخار مخترع آن نام‌گذاری شده است. عملکرد دیود تونلی بر اصل تونل‌زنی در علم مکانیک کوانتوم استوار است. در الکترونیک، تونل‌زنی به معنی یک جریان مستقیم از الکترون‌ها از باند هدایت (Conduction Band) نیمه‌رسانای نوع n. به باند ظرفیت (Valence Band) نیمه‌رسانای نوع p. در طول ناحیه کوچک تخلیه (Depletion Region) است.

دیود تونلی

معمولا برای ساخت دیود تونل از عنصر ژرمانیوم (Germanium) استفاده می‌شود. عناصر دیگری مانند گالیوم آرسنید (Gallium Arsenide)، گالیوم آنتی مونید (Gallium Antimonide) و سیلیکون (Silicon) نیز در ساخت این دیود‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

عرض ناحیه تخلیه در دیود تونلی

ناحیه تخلیه ناحیه‌ای در یک دیود پیوند p-n است که حامل‌های متحرک بار (الکترون‌های آزاد و حفره‌ها) در آن حضور ندارند. ناحیه تخلیه مانند یک سد است که در مقابل جریان الکترون‌ها از نیمه‌رسانای نوع n. و حفره‌ها از نیمه‌رسانای نوع p. ممانعت می‌کند.

عرض ناحیه تخلیه به تعداد ناخالصی‌های افزوده شده بستگی دارد. ناخالصی‌ها اتم‌هایی هستند که به منظور افزایش هدایت الکتریکی به نیمه‌رسانا‌های نوع p. و n. افزوده می‌شوند. اگر تعدا کمی ناخالصی به نیمه‌رسانا‌های نوع p. و n. افزوده شده باشد، یک ناحیه تخلیه بزرگ شکل می‌گیرد. از طرف دیگر، اگر تعداد زیادی ناخالصی به نیمه‌رسانا‌ها افزوده شود، ناحیه تخلیه کوچکی به وجود می‌آید.

دیود تونلی در بایاس مستقیم

در دیود تونلی، نیمه‌رسانا‌های نوع p. و n. به شدت آلاییده (ناخالص) شده‌اند. این بدین معنی است که تعداد زیادی ناخالصی به این نیمه‌رسانا‌ها افزوده شده است. به همین دلیل، عرض ناحیه تخلیه در دیود‌های تونلی بسیار باریک است. در دیود تونلی تراکم ناخالصی‌ها ۱۰۰۰ برابر بیشتر از دیود معمولی پیوند p-n است.

در دیود عادی پیوند p-n، عرض ناحیه تخلیه در قیاس با دیود تونلی بسیار بزرگ‌تر است. این ناحیه تخلیه بزرگ در دیود معمولی مانند یک سد در مقابل جریان است و با عبور جریان مخالفت می‌کند. برای غلبه بر این مانع، نیاز است ولتاژی به اندازه کافی اعمال کنیم تا جریان در دیود پیوند p-n شروع به گردش کند.

برخلاف دیود معمولی پیوند p-n، عرض ناحیه تخلیه در دیود تونل بسیار نازک است. پس حتی اعمال ولتاژی کوچک نیز برای تولید جریان در این دیود کافی است. دیود‌های تونلی می‌توانند برخلاف دیود‌های معمولی پیوند p-n، زمان زیادی پایدار بمانند و نیز قادر به عملکرد سریع هستند.

مفهوم تونل‌زنی

در دیود معمولی پیوند p-n، ناحیه تخلیه از یون‌های مثبت و منفی ساخته شده است. به همین دلیل است که در ناحیه تخلیه یک پتانسیل یا میدان الکتریکی وجود دارد. این میدان الکتریکی داخلی یک نیروی الکتریکی در خلاف جهت نیروی حاصل از میدان الکتریکی خارجی (ولتاژ) اعمال می‌کند.

نکته مهم دیگر این است که سطح انرژی در باند هدایت و ظرفیت مربوط به نیمه رسانای نوع n. از سطح انرژی در باند هدایت و ظرفیت مربوط به نیمه رسانای نوع p. اندکی پایین‌تر هستند. این اختلاف سطح انرژی به دلیل اختلاف در سطح انرژی اتم‌های ناخالصی مورد استفاده برای تشکیل نیمه‌رسانا‌های نوع n. و p. است.

جریان الکتریکی در دیود معمولی پیوند p-n

زمانی که یک ولتاژ بایاس به یک دیود معمولی پیوند p-n اعمال می‌شود، از عرض ناحیه تخلیه کاسته شده و در همان حال ارتفاع سد افزایش می‌یابد. اما با این حال هم الکترون‌ها در یک نیمه‌رسانای نوع n. نمی‌توانند در ناحیه تخلیه نفوذ کنند، زیرا ولتاژ درونی ناحیه تخلیه با جریان الکترون‌ها مخالفت می‌کند.

دیود پیوند p-n در بایاس مستقیم

اگر ولتاژ اعمالی بزرگ‌تر از ولتاژ درونی ناحیه تخلیه باشد، الکترون‌های سمت n. می‌توانند به نیروی حاصل از ناحیه تخلیه غلبه کنند و به سمت p. وارد شوند. به عبارت ساده‌تر، اگر انرژی الکترون‌ها از پتانسیل مانع یا ارتفاع آن بیشتر باشد، الکترون‌ها می‌توانند بر مانع غلبه کنند.

دیاگرام باند‌های انرژی در دیود معمولی p-n

بنابراین یک پیوند معمولی p-n تنها زمانی جریان الکتریکی تولید می‌کند که ولتاژ اعمالی بزرگ‌تر از ولتاژ داخلی ناحیه تخلیه باشد.

دیاگرام عبور الکترون‌ها از پتانسیل سد در دیود معمولی پیوند p-n

جریان الکتریکی در دیود تونلی

در دیود تونل سطح انرژی باند هدایت و باند ظرفیت در نیمه‌رسانای نوع n. پایین‌تر از سطح انرژی باند هدایت و باند ظرفیت در نیمه‌رسانای نوع p. هستند. برخلاف دیود معمولی پیوند p-n، اختلاف سطح انرژی در دیود تونلی بسیار بالا است و به دلیل این اختلاف بزرگ، باند هدایت نیمه‌رسانای نوع n. با باند ظرفیت نیمه‌رسانای نوع p. هم‌پوشانی دارد.

تونل‌زنی الکترون‌ها

بر اساس اصول مکانیک کوانتوم، اگر عرض ناحیه تخلیه بسیار باریک باشد، الکترون‌ها مستقیما در ناحیه تخلیه نفوذ خواهند کرد. در دیود تونلی عرض ناحیه تخلیه بسیار باریک و در حد نانومتر است و به همین دلیل الکترون‌ها می‌توانند مستقیما در طول ناحیه تخلیه از باند هدایت نیمه‌رسانای نوع n. به باند ظرفیت نیمه‌رسانای نوع p. تونل بزنند. در دیود‌های معمولی جریان زمانی تولید می‌شود که ولتاژ اعمالی بزرگ‌تر از ولتاژ داخلی ناحیه تخلیه باشد. اما در دیود‌های تونلی، ولتاژ کوچکی با مقدار کمتر از ولتاژ داخلی ناحیه تخلیه نیز قادر به تولید جریان خواهد بود.

در دیود تونل، نیازی نیست که الکترون‌ها برای تولید جریان به نیروی مخالف ناحیه تخلیه غلبه کنند، زیرا الکترون‌ها می‌توانند مستقیما از باند هدایت نیمه‌رسانای نوع n. به باند ظرفیت نیمه‌رسانای نوع p. تونل بزنند و منجر به تولید جریان الکتریکی شوند.

دیاگرام باند‌های انرژی در دیود تونلی

 

 ادامه مقاله را می توانید در معرفی کامل دیود تونلی - بخش دوم مراحعه نمایید.