معرفی کامل دیود تونلی- بخش دوم

نحوه کار دیود تونل

در این بخش، نحوه کار دیود تونلی را در قالب چند مرحله بیان می‌کنیم.

مرحله اول: دیود تونلی بایاس نشده

زمانی که هیچ ولتاژی به دیود تونل اعمال نشود، دیود در مد بایاس نشده است. در دیود تونلی، به دلیل شدت آلاییدگی، باند هدایت مربوط به نیمه‌رسانای نوع n. با باند ظرفیت نیمه‌رسانای نوع p. هم‌پوشانی دارد. به دلیل این هم‌پوشانی، الکترون‌های باند هدایت نیمه‌رسانای نوع n. و حفره‌ها در نیمه رسانای نوع p. تقریبا در یک سطح انرژی هستند. پس زمانی که دما افزایش یابد، تعدادی از الکترون‌ها از باند هدایت نیمه‌رسانای نوع n. به باند ظرفیت نیمه‌رسانای نوع p. تونل می‌زنند. به طریق مشابه حفره‌های باند ظرفیت نیمه‌رسانای نوع p. نیز به باند هدایت نیمه‌رسانای نوع n. تونل می‌زنند. با وجود این، مجموع جریان در گردش صفر می‌شود، زیرا تعداد برابری از حامل‌های بار در جهت مخالف یکدیگر به جریان در می‌آیند.

دیود تونلی بایاس نشده

مرحله دوم: اعمال ولتاژ کوچک به دیود‌های تونلی

زمانی که یک ولتاژ کوچک کمتر از ولتاژ داخلی ناحیه تخلیه به دیود تونل اعمال شود، هیچ جریان مستقیمی در پیوند هدایت نخواهد شد. اما تعداد کمی از الکترون‌های باند هدایت نیمه‌رسانای نوع n. به فضا‌های خالی باند ظرفیت نیمه‌رسانای p. خواهند رفت و منجر به ایجاد یک جریان تونل بایاس مستقیم کوچک خواهند شد؛ بنابراین جریان تونل با اعمال یک ولتاژ کوچک به گردش در خواهد آمد.

دیود در حالت جریان تونل کم

مرحله سوم: افزایش تدریجی ولتاژ اعمالی

زمانی که ولتاژ اعمالی به دیود تونلی تدریجا افزایش یابد، تعداد زیادی از الکترون‌ها در سمت n. و حفره‌ها در سمت p. ایجاد خواهند شد. به دلیل افزایش تدریجی ولتاژ، هم‌پوشانی باند‌های ظرفیت و هدایت رفته رفته افزایش می‌یابد. به عبارت دیگر، سطح انرژی باند هدایت نیمه‌رسانای نوع n. دقیقا با سطح انرژی باند ظرفیت نیمه رسانای نوع p. برابر می‌شود. در نتیجه، بیشینه جریان تونل به گردش در می‌آید.

بیشینه جریان تونل در دیود تونلی

مرحله چهارم: افزایش بیشتر ولتاژ اعمالی

اگر ولتاژ اعمالی بیشتر افزایش یابد، ناهماهنگی جزئی در باند ظرفیت و باند هدایت به وجود خواهد آمد، زیرا باند هدایت نیمه‌رسانای نوع n. و باند ظرفیت نیمه رسانای نوع p. در آستانه هم‌پوشانی هستند. الکترون‌ها از باند هدایت ناحیه n. به باند ظرفیت ناحیه p. تونل می‌زنند و منجر به ایجاد یک جریان کوچک می‌شوند؛ بنابراین جریان تونل شروع به کاهش خواهد کرد.

کاهش جریان تونل در دیود تونلی

مرحله پنجم: افزایش شدید ولتاژ اعمالی

اگر ولتاژ اعمالی به شدت افزایش یابد، جریان تونل به صفر خواهد رسید. در این نقطه، باند ظرفیت و باند هدایت دیگر هم‌پوشانی نخواهند داشت و دیود تونلی دقیقا مانند یک دیود معمولی پیوند p-n عمل خواهد کرد. اگر این ولتاژ اعمالی بزرگ‌تر از ولتاژ داخلی ناحیه تخلیه باشد، جریان بایاس مستقیم تنظیم شده از دیود تونلی عبور خواهد کرد.

صفر شدن جریان تونل، بیشینه جریان بایاس

قسمتی از منحنی که در آن با افزایش ولتاژ جریان کاهش می‌یابد، ناحیه مقاومت منفی در دیود تونلی است. مقاومت منفی مهم‌ترین و پرکاربردترین مشخصه دیود‌های تونلی است. یک دیود تونلی در ناحیه مقاومت منفی می‌تواند به عنوان تقویت کننده یا نوسان‌ساز مورد استفاده قرار گیرد.

مزایای دیود تونل

مزایای دیود تونلی را می‌توان به طور خلاصه به صورت زیر بیان کرد:

طول عمر بالا
عملکرد سریع
نویز پایین
مصرف انرژی پایین

معایب دیود‌های تونل

از معایب دیود‌های تونلی نیز می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

دیود‌های تونلی را نمی‌توان به صورت انبوه تولید کرد.
به عنوان یک المان دو پایه، خروجی و ورودی دیود از یکدیگر ایزوله نیستند.

کاربرد‌های دیود تونل

دیود‌های تونل، نوعی از دیود‌های نیمه‌هادی هستند که بسیار سریع و در بازه فرکانس مایکروویو (Microwave) بوده و نتیجه یک اثر مکانیک کوانتوم (پدیده تونل‌زنی) هستند. این دیود‌ها برای نوسانان‌ساز‌های سریع و گیرنده‌ها (به دلیل مشخصه مقاومت منفی) بسیار ایده‌آل هستند. اما نمی‌توان از آن‌ها در مدارات مجتمع بزرگ استفاده کرد و به همین دلیل دارای کاربرد‌های محدودی هستند. تعدادی از کاربرد‌های این دیود‌ها در ادامه توضیح داده شده است.

مدار‌های نوسان‌ساز

دیود‌های تونلی در مدار‌های نوسان‌ساز فرکانس بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند، زیرا دارای گذار در هدایت الکتریکی بالای بسیار سریعی هستند. این دیود‌ها می‌توانند برای ساخت نوسان‌ساز‌های با فرکانس تا ۵ گیگاهرتز هم به کار روند. دیود‌های تونلی حتی توان ساخت نوسان‌ساز‌های با فرکانس بالاتر از ۱۰۰ گیگاهرتز را هم دارند.

این دیود‌ها قادرند مدار‌های نوسان‌ساز پایداری را زمانی که به یک مدار تنظیم شده یا حفره (Cavity) بایاس شده در نقطه مرکزی ناحیه مقاومت منفی متصل هستند، ایجاد کنند. شکل زیر مثالی از یک مدار نوسان‌ساز دیود تونلی را نشان می‌دهد.

نمونه‌ای از مدار نوسان‌ساز

مدار‌های مایکروویو

ترانزیستور‌های دیودی معمولی در کاربرد‌های مایکروویو به خوبی عمل نخواهند کرد؛ بنابراین دیود‌های تونلی برای مبدل‌های مایکروویو و تقویت کننده‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. این دیود‌ها در امواج مایکروویو و تجهیزات مخابرات ماهواره‌ای به طور گسترده به کار می‌روند. البته امروزه استفاده از این دیود‌ها به سرعت رو به کاهش است، زیرا ترانزیستور‌ها با توانایی کار در فرکانس موج بسیار فراگیر شده‌اند.

مقاوم در برابر تشعشعات هسته‌ای

دیود‌های تونلی در برابر تاثیر میدان‌های مغناطیسی، دما‌های بالا و تشعشعات هسته‌ای مقاوم هستند. به همین دلیل برای استفاده در تجهیزات نظامی مدرن مناسب هستند. اما مهم‌ترین استفاده این دیود‌ها در تجهیزات مخابرات ماهواره‌ای است.

 

منبع: فرادرس