Dioda tunelowa

Dioda tunelowa – dioda półprzewodnikowa charakteryzująca się niewielką grubością złącza "p-n", bardzo wysokim stężeniem domieszek w obu złączach (półprzewodniki domieszkowane "p" i "n") oraz ujemną wartością rezystancji dynamicznej dla pewnego zakresu napięcia dodatnio polaryzującego. Została ona wynaleziona w 1957 roku przez japońskiego fizyka Leo Esaki (stąd też alternatywną nazwą diody tunelowej jest określenie "dioda Esakiego"). W trakcie przeprowadzania badań nad złączami półprzewodnikowymi p-n zauważył, że gdy dioda jest silnie domieszkowana, to po przekroczeniu pewnej wartości napięcia przewodzenia, w pewnym przedziale napięć wykazuje ujemną wartość rezystancji dynamicznej. W 1973 roku Leo Esaki został laureatem Nagrody Nobla z fizyki za odkrycie zjawiska tunelowania elektronów w diodzie tunelowej. Zjawisko to polega na przenikaniu nośników prądu przez wąską warstwę przy bardzo małym napięciu.

Symbol diody tunelowej (A - anoda, K - katoda)

Typowa dioda tunelowa jest wykonana z krzemu (Si), antymonku galu (GaSb) czy arsenku galu (GaAs). Można, chociaż coraz rzadziej, spotkać jeszcze diody germanowe (Ge).

Charakterystyka prądowo-napięciowa diody tunelowej

Zasada działania diody tunelowej

Przy wzroście napięcia przewodzenia (złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia), natężenie prądu diody wzrasta dużo szybciej niż w przypadku typowej diody półprzewodnikowej (tutaj zjawisko tunelowania odgrywa istotną rolę). Dalszy wzrost napięcia (od ok. 50 mV do ok. 350 mV) będzie powodować pogorszenie warunków pracy elementu i po przekroczeniu napięcia szczytowego U_P natężenie prądu diody będzie malało, zaś po przekroczeniu „punktu doliny” U_V prąd diody z powrotem zacznie wzrastać. W związku z tym w zakresie U_P ÷ U_V dioda tunelowa ma ujemną wartość rezystancji dynamicznej. W diodzie tunelowej przy polaryzacji zaporowej płynie prąd (wartość napięcia przebicia wynosi 0).

Istotne parametry diody tunelowej

• punkt szczytowy określany przez napięcie U_P i prąd I_P,
• punkt doliny określany przez napięcie U_V i prąd I_V,
• rezystancja dynamiczna w zakresie napięcia U_P ÷ U_V, które w dużym stopniu zależą od materiału, który został użyty do produkcji diody tunelowej.

Zalety i wady diod tunelowych

Zalety:

• wysoka odporność na czynniki środowiskowe,
• duża szybkość działania elementu,
• przystosowana do pracy w układach wysokich częstotliwości,
• niski współczynnik szumów,
• niski pobór prądu,
• długość życia. 

Wady:

• niewielki prąd tunelowania, dlatego dioda ta jest klasyfikowana jako komponent niskiej mocy (parametr niekorzystny w przypadku oscylatorów),
• nie posiada izolacji między wejściem a wyjściem.

Zastosowanie diod tunelowych

Diody tunelowe znajdują zastosowanie w układach impulsowych o dużych szybkościach działania (np. w elektronicznych układach logicznych maszyn liczących), mikrofalowych urządzeniach przenośnych, szerokopasmowych wzmacniaczach sygnałów i w układach generatorów o częstotliwości powyżej 300 MHz. Używane są również w sprzęcie lotniczym, kosmicznym oraz w urządzeniach radiolokacyjnych.

Zobacz też

• dioda wsteczna
• krystadyna