Qu'est-ce que la diode tunnel : fonctionnement et ses applications

Une diode tunnel a été découverte par Leo Esaki en 1958. Il a remarqué que si une diode semi-conductrice est fortement dopée par des impuretés, elle générera une résistance négative, ce qui signifie que le flux de courant à travers la diode diminuera une fois que la tension augmentera. Leo Esaki a obtenu le prix Nobel de physique pour avoir inventé l'effet tunnel électronique utilisé dans ces types de diodes en 1973. Ces diodes sont l'un des composants électroniques à semi-conducteurs les plus importants. Comme son nom l'indique, cette diode porte le nom de Leo Esaki pour son travail d'effet tunnel. Cet article donne un aperçu de l'effet tunnel et de son fonctionnement. Qu'est-ce que la diode tunnel ? Une diode semi-conductrice comme une diode tunnel est également appelée diode Esaki qui a une résistance négative en raison de l'effet tunnel ou mécanique quantique. Cette diode comprend une jonction PN fortement dopée de 10 nm de large. Dans un matériau semi-conducteur, l'effet tunnel est l'incident de conduction où le porteur de charge frappe la barrière plutôt que de monter à travers elle. Diode tunnelCe type de diode est utilisé comme dispositif de commutation à vitesse extrême dans les ordinateurs ainsi que dans les amplificateurs et oscillateurs haute fréquence. Le symbole d'une diode tunnel est illustré ci-dessous où le semi-conducteur de type p fonctionne comme une anode et le semi-conducteur de type n fonctionne comme une cathode.Symbole de la diode tunnel Généralement, une anode en forme d'électrode est très chargée qui attire les électrons, tandis qu'une cathode est une électrode chargée négativement qui génère des électrons. Alternativement, un semi-conducteur de type p attire les électrons qui sont générés du type n au type p est appelé l'anode. Le fonctionnement de cette diode dépend principalement du principe de la mécanique quantique est appelé tunneling. En électronique, l'effet tunnel n'est rien d'autre qu'un flux direct d'électrons à travers la région d'appauvrissement d'une bande à l'autre, comme la conduction du côté n vers la valence du côté p.Construction de la diode tunnelLes matériaux utilisés pour fabriquer la diode tunnel sont le germanium, l'antimoniure de gallium, le silicium et le gallium arséniure. Cette diode est conçue avec les deux bornes comme l'anode et la cathode. Ici, le matériau semi-conducteur comme le type p fonctionne comme une anode tandis que le type n fonctionne comme une cathode.Construction de la diode tunnel Dans le matériau germanium, le rapport entre la valeur de crête du courant direct et la valeur du courant de vallée est le plus élevé et le plus faible pour le silicium. Par conséquent, le matériau de silicium n'est pas utilisé pour construire cette diode. La densité de dopage de la diode peut être 1000 fois supérieure à celle de la diode normale. Principe de fonctionnement Le principe de fonctionnement de la diode tunnel est le même qu'une diode à jonction PN, sauf qu'une densité de dopage élevée modifie sa conductivité dans une large mesure. Dans une diode à jonction PN, la concentration de dopage est de 1 atome sur 108 atomes. Cependant, dans Tunnel Diode, la concentration de dopage est de 1 atome sur 103 atomes. En raison de la concentration élevée en impuretés des ions, la largeur de la couche d'appauvrissement peut être réduite et elle se transforme en environ 10 à 5 mm. Fonctionnement de la diode en tunnel Une fois qu'aucune tension n'est appliquée ou non biaisée cette diode, la bande de conduction du matériau semi-conducteur de type n couvre en partie le bande de valence du matériau de type p. Cela se produit donc en raison d'un dopage important. Les niveaux d'énergie des trous et des électrons dans les types P et N restent les mêmes. Une fois que la température augmente, les électrons s'enfouissent de la région n de la bande de conduction à la région p de la bande de valence. De la même manière, les trous creusent de la bande de cantonnière des régions p à la bande de conduction de la région n. Ainsi, dans cette condition, la diode sera impartiale, ce qui signifie qu'il n'y a pas de flux de courant à travers la diode. Une fois que la petite tension est appliquée à cette diode, aucun électron ne circule dans la région d'épuisement et aucun courant n'est fourni dans toute la diode. Dans la région n, les quelques électrons de la bande de conduction s'enfoncent dans la bande de valence dans la région p en raison de l'enfouissement des électrons, donc peu de courant direct fournira dans toute la région d'épuisement. Une fois que la haute tension est appliquée à la diode tunnel, des porteurs de charge tels que des trous et des électrons seront générés. Lorsque la tension appliquée augmente, les deux bandes se chevaucheront et les niveaux d'énergie des deux bandes dans les deux régions seront égaux. Par conséquent, le courant le plus élevé traverse le tunnel. Une fois que la tension appliquée est à nouveau fortement augmentée, les deux bandes de la diode sont légèrement désalignées. Cependant, les deux bandes dans les deux régions se chevauchent toujours. Le peu de courant fourni dans toute la diode, le courant du tunnel commencera à diminuer. Si la tension du conducteur augmente fortement, le courant du tunnel sera réduit à zéro. Dans cet état, les deux bandes ne se chevaucheront pas, donc cette diode fonctionne comme une diode à jonction PN normale. Par rapport à la tension intégrée, l'amplitude de la tension est supérieure au courant direct qui fournira tout au long de la diode tunnel.Schéma de circuit de la diode tunnelLe schéma de circuit de la diode tunnel est illustré ci-dessous. Dans le schéma suivant, la résistance des bornes de connexion de ce matériau de diode et de semi-conducteur peut être représentée par « Rs » qui équivaut à 5 ohms. L'inductance des bornes de connexion 'Ls' est presque équivalente à 0.5nH. Schéma de circuit Termes principaux utilisés dans la diode tunnelLes termes clés associés utilisés dans la diode tunnel sont le courant tunnel, les caractéristiques de résistance négative et le courant de vallée. La largeur de l'appauvrissement mince permet à certains électrons libres de creuser la jonction au lieu de la survoler. La diffusion des électrons produira un courant appelé courant tunnel. La propriété spécifique comme les caractéristiques de résistance négative est la capacité particulière de cette diode où le courant signifie chute même une fois que la tension qui lui est appliquée augmente. Une fois que l'effet tunnel atteint sa valeur minimale lorsque le potentiel direct augmente, la valeur de courant d'effet tunnel la plus faible peut être le point de vallée de l'appareil. Caractéristiques VI de la diode tunnel La caractéristique VI de la diode tunnel est illustrée ci-dessous. Dans cette diode, une forte conduction de dopage peut se produire en raison de la polarisation directe. La tension appliquée à cette diode est « Vp » et le courant le plus élevé atteint par cette diode est « Ip ». Une fois la haute tension appliquée à cette diode, la valeur du courant sera diminuée.VI CaractéristiquesLe flux de courant diminuera jusqu'à ce qu'il obtienne la plus petite valeur, donc la petite valeur de courant est 'Iv'. À partir du graphique caractéristique suivant, nous pouvons remarquer que le flux de courant sera réduit une fois la tension réduite. C'est donc la région de résistance négative pour cette diode. La diode génère de l'énergie au lieu de l'absorber. Oscillateur à diode tunnel L'une des applications de la diode tunnel est l'oscillateur à diode tunnel. Si le circuit de réservoir qui comprend une inductance (L) une capacité (C) et une résistance interne (RP) est connecté à travers la diode dont la résistance -ve comme -Rn et la résistance nette comme Req signifie RP et -Rn en parallèle qui peut être donné byReq = -RnRp/Rp-RnSi 'Rp' est supérieur à 'Rn', alors 'Req' sera négatif et les oscillations peuvent augmenter. Après cela, l'amplitude de l'oscillation augmente jusqu'à ce qu'elle occupe une plage de tension supérieure à la quantité de la zone de résistance négative des caractéristiques.Oscillateur à diode tunnel Une fois que le point de fonctionnement entre dans la région de résistance positive, l'amplitude de l'oscillation peut être restreinte. Pour obtenir le maximum de sortie, le point inactif doit être précisément placé au milieu de la zone de résistance négative. Ainsi, la fréquence d'oscillation peut être donnée par l'équation suivante F = 1/2π√ La diode tunnel LCA comprend une caractéristique de région de résistance négative parmi les tensions 0.1 et 0.3 V. Il peut être utilisé comme oscillateur à des fréquences de 100 GHz. Lorsque l'oscillateur à diode tunnel fonctionne extrêmement bien à des fréquences extrêmement élevées, il ne peut pas être utilisé efficacement à moins de fréquences. C'est le principal inconvénient de l'oscillateur à diode et il est également appelé oscillateur à résistance négative.AvantagesLes avantages de la diode tunnel sont les suivants.La vitesse de commutation de cette diode est élevéeLongue durée de vieCette diode gère les hautes fréquences.La fabrication est simpleMoins de bruit et de coûtDissipation de puissance est faibleLe fonctionnement est à grande vitesseProtection de l'environnementLe flux de courant en raison de la majorité des porteurs de charge dans cette diode peut répondre très rapidement aux changements de tension. Ainsi, cette propriété est extrêmement utile pour les applications à grande vitesse. D'énormes alimentations en courant à faible valeur de tension inverse en raison d'un chevauchement important entre deux bandes comme la valence et la conduction. C'est une propriété très utile comme un convertisseur de fréquence. Il génère une caractéristique de résistance négative qui est utilisée dans les oscillateurs et les amplificateurs à réflexion Inconvénients Les inconvénients de la diode tunnel sont les suivants. Ces diodes sont des dispositifs à faible consommation. p swing de tension. Les plages de puissance de sortie sont limitées à quelques milliwatts, car le potentiel CC appliqué doit être faible par rapport au potentiel de bande interdite de la diode. Il n'y a pas d'isolement entre l'entrée et la sortie car il s'agit d'un appareil à 2 bornes. de diode tunnel incluent ce qui suit. La diode tunnel est utilisée dans différents oscillateurs comme la relaxation, les micro-ondes, etc. Elle est utilisée comme dispositif de commutation à très grande vitesse. Elle est utilisée comme un dispositif de stockage de mémoire logique. à haute fréquenceCette diode est utilisée comme oscillateur, amplificateur et commutateurElle est utilisée comme composant haute fréquence.Elle fonctionne comme un périphérique de stockage pour stocker la mémoire logique.Elle est utilisée dans les récepteurs FM et les circuits oscillateurs car il s'agit d'un appareil à faible courant Ainsi, il s'agit d'un aperçu de la diode tunnel, de sa construction, de son fonctionnement, de ses avantages, de ses inconvénients et de ses applications. Ces diodes sont utilisées comme un oscillateur, un amplificateur, un commutateur, etc. Cette diode peut être utilisée comme composant haute fréquence en raison de sa réponse rapide, cependant, elle n'est pas choisie en raison de l'accessibilité de meilleurs appareils. Voici une question pour vous, quels sont les différents types de diodes disponibles sur le marché ?

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