Tunnelidiodi

Tunnelidiodi tai Esaki-diodi on eräänlainen puolijohdediodi, jolla on tehollisesti ”negatiivinen resistanssi” kvanttimekaanisen tunneli-ilmiön vaikutuksesta. Sen keksivät elokuussa 1957 Leo Esaki ja Yuriko Kurose työskennellessään Tokyo Tsushin Kogyolla, joka nykyään tunnetaan nimellä Sony.^[1][2] Vuonna 1973 Esaki sai Nobelin fysiikanpalkinnon puolijohteissa tapahtuvan elektronien tunneloitumisen kokeellisesta osoittamisesta.^[3] Robert Noyce keksi itsenäisesti idean tunnelidiodista työskennellessään William Shockleylle, mutta hän lannistui yrittäessään jatkaa sen kehittämistä.^[4] Tunnelidiodeja valmisti ensimmäisenä Sony vuonna 1957, sen jälkeen noin vuodesta 1960 lähtien myös General Electric ja muut yritykset, ja niitä valmistetaan jonkin verran edelleenkin.^[5]

Tunnelidiodeissa on voimakkaasti seostettu positiivinen-negatiivinen (P-N) liitos, joka on noin 10 nm (100 Å) leveä. Raskas seostaminen johtaa rikkinäiseen kaistaväliin, jossa N-puolen johtokaistan elektronitilat ovat enemmän tai vähemmän samassa linjassa P-puolen valenssikaistan aukkotilojen kanssa. Ne valmistetaan yleensä germaniumista, mutta niitä voidaan valmistaa myös galliumarsenidista, galliumantimonidista (GaSb) ja piimateriaaleista.

Käyttö

Negatiivinen differentiaaliresistanssi osassa niiden toiminta-aluetta mahdollistaa niiden toiminnan oskillaattoreina ja vahvistimina sekä kytkentäpiireissä, joissa käytetään hystereesiä. Niitä käytetään myös taajuusmuuntimina ja ilmaisimina.^[6] Niiden pieni kapasitanssi mahdollistaa niiden toiminnan mikroaaltotaajuuksilla, jotka ovat paljon tavallisten diodien ja transistorien taajuusalueen yläpuolella.

8–12 GHz:n tunnelidiodivahvistin noin vuodelta 1970

Alhaisen antotehonsa vuoksi tunnelidiodeja ei käytetä laajalti: Niiden radiotaajuusteho rajoittuu muutamaan sataan milliwattiin niiden pienen jännitevaihtelun vuoksi. Viime vuosina on kuitenkin kehitetty uusia tunnelointimekanismia hyödyntäviä laitteita. Resonantti-tunnelointidiodilla (RTD) on saavutettu eräitä korkeimpia taajuuksia kaikista kiinteän tilan oskillaattoreista^[10].

Toinen tunnelidiodityyppi on metalli-eriste-eriste-metalli ( MIIM ) -diodi, jossa ylimääräinen eristekerros mahdollistaa ”askel-tunneloinnin” diodin tarkemman ohjauksen ] On olemassa myös metalli-eriste-metalli (MIM) -diodi, mutta luontaisten herkkyyksien vuoksi sen nykyinen käyttö näyttää rajoittuvan tutkimusympäristöihin.

Eteenpäin suuntautuva toiminta

Normaalissa eteenpäin suuntautuvassa toiminnassa elektronit jännitteen alettua kasvaa elektronit tunneloituvat aluksi hyvin kapean P-N-liitoksen esteen läpi ja täyttävät N-puolen johtokaistan elektronitiloja, jotka asettuvat P-N-liitoksen P-puolen tyhjän valenssikaistan aukkotilojen kanssa samaan linjaan. Jännitteen kasvaessa edelleen nämä tilat muuttuvat yhä enemmän vinoutuneiksi, ja virta pienenee. Tätä kutsutaan negatiiviseksi differentiaaliresistanssiksi, koska virta pienenee jännitteen kasvaessa. Kun jännite kasvaa kiinteän siirtymäpisteen yli, diodi alkaa toimia normaalina diodina, jossa elektronit kulkevat johtumalla P-N-liitoksen yli eivätkä enää tunneloitumalla P-N-liitoksen esteen läpi. Tunnelidiodin tärkein toiminta-alue on ”negatiivisen vastuksen” alue. Sen kuvaaja eroaa normaalista P-N-liitäntädiodista.

Käänteisellä etusijauksella tapahtuva toiminta

Pääartikkeli: Vastapainodiodi

I vs. V -käyrä, joka muistuttaa tunnelidiodin ominaiskäyrää. Sillä on ”negatiivinen” differentiaaliresistanssi varjostetulla jännitealueella, V_1:n ja V_2:n välillä.

Kun tunnelidiodeja käytetään käänteisessä suunnassa, niitä kutsutaan käännetyiksi diodeiksi^lähde? ja ne voivat toimia nopeina tasasuuntaajina, joilla on nolla offset-jännite ja äärimmäinen lineaarisuus tehosignaaleille (käänteisessä suunnassa ne noudattavat tarkoin neliölakia). Käänteisellä etusijauksella P-puolen täytetyt tilat tulevat yhä enemmän samansuuntaisiksi N-puolen tyhjien tilojen kanssa, ja elektronit tunneloituvat nyt P-N-liitoksen esteen läpi vastakkaiseen suuntaan.

Tekniset vertailut

10 mA:n germaniumtunnelidiodinI vs. V -käyrä, joka on otettu Tektronixin mallin 571 käyrätunnistimella.

Tavanomaisessa puolijohdediodissa johtuminen tapahtuu, kun P-N-liitos on kytketty päästösuuntaan, mutta se estää virran kulun, kun liitos on kytketty päinvastaiseen suuntaan, estosuuntaan. Näin tapahtuu, kun jännite on tiettyä arvoa, "käänteisläpilyöntijännitettä" pienempi. Jos se ylittyy, virta alkaa kulkea myös estosuuntaan, mutta samalla laite usein tuhoutuu. Tunnelidiodissa P- ja N-kerrosten dopingainepitoisuudet nostetaan sellaiselle tasolle, että käänteinen läpilyöntijännite muuttuu nollaksi ja diodi johtaa myös estosuuntaan. Päästösuunnassa tapahtuu kuitenkin kvanttimekaaninen tunneloituminen, sen vuoksi jännitteen ollessa tietyllä välillä etujännitteen kasvu saa etuvirran pienenemän. Tätä ”negatiivisen resistanssin” aluetta voidaan hyödyntää dynatron-oskillaattorin kiinteän tilan versiossa, jossa tavallisesti käytetään tetroditermioniventtiiliä (tyhjiöputki).