Diod terowong ialah sejenis diod khas yang tidak bertindak seperti diod biasa. Kerana ia didoping dengan sangat berat, persimpangannya menjadi sangat nipis, jadi elektron boleh terowong melaluinya walaupun pada voltan rendah. Ini mewujudkan kawasan pelik yang dipanggil rintangan pembezaan negatif, di mana arus boleh menurun walaupun voltan meningkat.
Asas Diod Terowong
Diod terowong mempunyai dua terminal, seperti diod standard. Kedua-dua hujung mesti dikenal pasti dengan jelas kerana peranti boleh berkelakuan berbeza daripada diod standard pada julat voltan tertentu.
Nama terminal
• Anod → bahagian jenis-p
• Katod → sisi jenis-n
Fakta terminal
• Dalam kecenderungan ke hadapan, arus konvensional mengalir daripada anod → katod.
• Kekutuban masih penting, dan diod terowong juga boleh menjalankan berat sebelah terbalik kerana terowong.
• Pada banyak pakej fizikal, katod ditandakan dengan jalur atau titik.
Struktur dan Terowong Kuantum dalam Diod Terowong
Dalam persimpangan p–n standard, kawasan penipisan cukup luas sehingga pembawa terutamanya melintasi penghalang melalui suntikan haba. Diod terowong dibina secara berbeza: kedua-dua bahagian p dan bahagian n sangat banyak didoping, yang memerah kawasan penipisan kepada hanya beberapa nanometer. Dengan penghalang yang begitu nipis, elektron boleh melaluinya dengan terowong kuantum, jadi arus yang ketara boleh muncul pada voltan hadapan yang sangat rendah.
Apakah perubahan doping berat (menyebabkan kesan →)
• Doping berat meningkatkan kepekatan pembawa dan menyempitkan kawasan penipisan.
• Kawasan penipisan yang lebih nipis bermakna penghalang tenaga yang lebih nipis di persimpangan.
• Apabila penghalang cukup nipis, pembawa boleh melaluinya dan bukannya melaluinya.
• Ini membolehkan pengaliran voltan rendah dan menjadikan tingkah laku persimpangan sangat bergantung pada geometri dan parameter bahan.
Apakah maksud terowong dalam diod ini
Dalam diod biasa, pembawa memerlukan tenaga yang mencukupi untuk melepasi penghalang. Dalam diod terowong, walaupun tenaga pembawa berada di bawah puncak penghalang, ia masih boleh melalui penghalang disebabkan oleh mekanik kuantum, dengan syarat terdapat keadaan yang diduduki di satu sisi sejajar dengan keadaan kosong di sisi lain.
Implikasi reka bentuk praktikal
• Kapasitans persimpangan biasanya lebih tinggi kerana kawasan penipisan sangat nipis.
• Penyekatan terbalik adalah terhad, dan voltan pecahan terbalik selalunya lebih rendah daripada diod standard.
• Prestasi lebih sensitif kepada variasi proses dan suhu, dan tingkah laku frekuensi tinggi sangat bergantung pada kapasitansi persimpangan dan kearuhan pakej/plumbum.
Perbandingan pantas
| Aspek | Diod Standard | Diod Terowong |
|---|---|---|
| Tahap doping (susunan biasa) | ~10¹⁶–10¹⁸ cm⁻³ | ~10¹⁹–10²⁰ cm⁻³ |
| Ketebalan penipisan | Lebih luas | Sangat sempit |
| Cara utama pembawa menyeberang | Kebanyakannya melepasi penghalang | Kebanyakannya melalui penghalang (terowong) |
| Sekatan terbalik | Selalunya kuat | Selalunya terhad |
Pandangan Jalur Tenaga Diod Terowong
Kecenderungan Sifar atau Sangat Kecil
Pada berat sebelah sifar, terowong boleh berlaku dalam kedua-dua arah kerana penghalangnya nipis. Arus bersih kekal hampir sifar kerana terowong daripada p→n diimbangi dengan terowong daripada n→p.
Bias Hadapan Kecil: Meningkat Ke Arah Puncak (Ip pada Vp)
Dengan kecenderungan ke hadapan yang kecil, jalur tenaga beralih supaya keadaan yang diisi di satu sisi sejajar dengan keadaan kosong di sisi yang lain. Bilangan laluan terowong yang tersedia meningkat, jadi arus meningkat dengan cepat.
• Arus mencapai arus puncak Ip pada voltan puncak Vp apabila penjajaran paling kuat.
Bias Hadapan yang Lebih Tinggi: Jatuh ke arah lembah (iv di vv)
Apabila voltan hadapan meningkat melebihi Vp, penjajaran jalur menjadi lebih lemah. Lebih sedikit negeri berbaris, jadi laluan terowong mengecut. Arus terowong berkurangan walaupun voltan meningkat.
• Ini ialah rantau NDR, di mana dI/dV < 0.
• Arus jatuh kepada arus lembah Iv pada voltan lembah Vv.
Bias Hadapan yang Lebih Tinggi: Pengaliran Diod Normal Mendominasi
Pada kecenderungan hadapan yang cukup tinggi, terowong menjadi lemah kerana keadaan tidak lagi sejajar dengan baik untuk terowong. Pengaliran hadapan konvensional (resapan/suntikan) menjadi dominan, dan arus meningkat semula dengan voltan.
Keluk I-V Diod Terowong dan Parameter Utama
Diod terowong mempunyai lengkung I–V ke hadapan yang tersendiri: arus naik ke puncak, kemudian turun ke lembah, kemudian naik semula. "Penurunan semasa voltan meningkat" ialah rantau rintangan pembezaan negatif (NDR).
Bagaimana untuk membaca lengkung (peringkat tinggi)
• 0 → Vp: laluan terowong meningkat, arus meningkat dengan cepat.
• Vp → Vv: laluan terowong berkurangan, arus jatuh (NDR).
• V > Vv: pengaliran diod biasa mendominasi, arus meningkat semula.
Titik utama pada lengkung
• Vp (Voltan Puncak): voltan pada titik arus terowong maksimum
• Ip (Arus Puncak): arus terowong hadapan maksimum
• Vv (Valley Voltage): voltan pada titik minimum selepas kejatuhan
• Iv (Arus Lembah): arus minimum sebelum pengaliran normal meningkat dengan kuat
• Ip/Iv (Nisbah puncak-ke-lembah): menunjukkan betapa ketaranya tingkah laku NDR
Wilayah Operasi Hadaan dan Nota Bias
Wilayah A: Terowong Voltan Rendah (sekitar 0 hingga Vp)
• Gunakan apabila anda mahukan tingkah laku pengaliran voltan rendah yang dikuasai oleh terowong.
• Pastikan parasit susun atur kecil jika isyarat pantas atau RF.
Wilayah B: Tetingkap NDR (Vp ke Vv)
• Ini ialah kawasan yang digunakan untuk pengayun dan litar RF rintangan negatif.
• Bias pada titik operasi yang stabil di dalam tetingkap NDR, bukan betul-betul di tepi.
• Gunakan rangkaian berat sebelah yang menghalang lompatan lari atau tidak diingini antara titik operasi.
• Minimumkan rintangan siri tambahan di mana anda memerlukan tingkah laku NDR yang kuat, kerana rintangan siri mengurangkan rintangan negatif yang berkesan.
Wilayah C: Pengaliran Hadapan Normal (di atas Vv)
• Layan ia lebih seperti kawasan diod konvensional (arus meningkat dengan voltan).
• Kesan NDR tidak lagi dominan, jadi ia bukan rantau untuk operasi rintangan negatif.
Pemeriksaan berat sebelah pantas (senarai kewarasan pantas)
• Sahkan titik berat sebelah yang dimaksudkan terhadap data I–V peranti (Ip, Vp, Iv, Vv).
• Semak hanyut suhu: Peralihan VP/IP/IV boleh menggerakkan titik operasi.
• Semak parasit: Co dan kearuhan pakej boleh membentuk semula I–V yang jelas pada frekuensi tinggi.
• Sahkan kestabilan dengan rangkaian sekeliling (terutamanya dalam operasi NDR).
Bias Terbalik dan Mod Diod Ke Belakang
Diod terowong boleh mengalirkan arus yang ketara walaupun dalam berat sebelah terbalik kerana kawasan penipisannya rapuh. Apabila voltan songsang kecil digunakan, tahap tenaga boleh berjajar, membolehkan pembawa terowong ke arah songsang. Pengaliran songsang pada voltan rendah ini sering dipanggil mod diod ke belakang.
Seperti apa terowong terbalik
• Voltan songsang kecil mengalihkan penjajaran tenaga supaya terowong berlaku ke arah sebaliknya.
• Terowong terowong terbalik boleh menyokong: Pengesanan RF tahap rendah. Pencampuran atau penukaran frekuensi (dalam beberapa persediaan litar)
Mengapa ia tidak digunakan sebagai penerus kuasa
• Pengaliran terbalik boleh bermula pada voltan songsang rendah, jadi penyekatan terbalik adalah terhad.
• Pengendalian voltan terbalik biasanya jauh lebih rendah daripada banyak diod kuasa.
Bahan Diod Terowong dan Ip / IV
| Bahan | Jurang jalur (kira-kira) | Kecenderungan terowong |
|---|---|---|
| Ge (Germanium) | ~0.66 eV | Kuat pada voltan rendah |
| GaAs (Gallium Arsenide) | ~1.42 eV | Kuat dengan kawalan yang baik |
| Si (Silikon) | ~1.12 eV | Biasanya lebih lemah |
Litar Setara Diod Terowong
| Elemen | Simbol | Mewakili | Kesan utama |
|---|---|---|---|
| Rintangan negatif | −Ro | Cerun NDR berhampiran titik berat sebelah | Membolehkan keuntungan atau ayunan dalam keadaan yang betul |
| Kapasitansi persimpangan | Co | Kapasitansi persimpangan (penipisan) | Mengehadkan tindak balas frekuensi tinggi dan menjejaskan resonans |
| Rintangan siri | Rs | Kerugian dalaman | Mengurangkan ketajaman dan menurunkan prestasi berkesan |
| Kearuhan siri | Ls | Kearuhan plumbum/pakej | Peralihan dalam resonans boleh menjejaskan kestabilan |
Aplikasi Diod Terowong
Pengayun gelombang mikro dan penjanaan isyarat RF
Dengan berat sebelah di rantau NDR dan rangkaian resonan, diod terowong boleh menjana ayunan RF dan gelombang mikro.
Penguat Pantulan dan Litar Bahagian Hadapan RF
Rintangan negatifnya boleh digabungkan dengan rangkaian impedans untuk menghasilkan keuntungan RF dalam litar bahagian hadapan berkuasa rendah.
Pengayun Relaksasi dan Litar Nadi
Rantau NDR menyokong penukaran pantas antara titik operasi, yang boleh mencipta bentuk gelombang nadi dan masa.
Radar dan Perkakasan Legasi
Diod terowong masih muncul dalam beberapa peralatan lama, di mana tingkah laku peranti telah terbukti dan didokumentasikan dengan baik.
Pengesanan dan Penukaran Frekuensi
Dalam mod diod ke belakang, diod terowong boleh mengesan isyarat RF tahap rendah pada voltan rendah dan juga boleh menyokong penukaran frekuensi.
Kesimpulannya
Diod terowong berfungsi kerana doping berat menjadikan persimpangan begitu nipis sehingga terowong kuantum menjadi laluan utama untuk arus. Ini membawa kepada lengkung I–V puncak dan lembah yang terkenal dan kawasan rintangan pembezaan negatif. Ciri-ciri tersebut menjadikan diod terowong berguna untuk pengayun RF dan gelombang mikro, pengesanan isyarat kecil dan litar nadi pantas. Mereka juga mempunyai had, seperti voltan rendah dan pengendalian kuasa serta penyekatan terbalik yang lemah.
Soalan Lazim [Soalan Lazim]
Apakah yang mengawal nisbah Ip/IV (puncak-ke-lembah)?
Tahap doping, kualiti persimpangan (kecacatan), jurang jalur bahan, dan suhu.
Bagaimanakah suhu mengubah tingkah laku diod terowong?
Ia mengalihkan Vp, Ip dan Iv dan melemahkan rantau NDR (selalunya menurunkan Ip/Iv), yang boleh menggerakkan titik operasi dan mengurangkan kestabilan.
Apakah yang mengehadkan kekerapan praktikal tertinggi diod terowong?
Kapasitansi persimpangan (Co), rintangan siri (Rs), dan kearuhan pakej/plumbum (Ls).
Bolehkah diod terowong rosak oleh berat sebelah yang tidak betul?
Ya. Arus hadapan yang berlebihan atau voltan terbalik boleh terlalu panas atau merosakkan persimpangan secara kekal dan mengubah ciri I–V.
Mengapakah diod terowong tidak biasa dalam reka bentuk moden?
Transistor frekuensi tinggi dan IC RF memberikan kawalan yang lebih baik, keuntungan yang lebih tinggi, kebolehskalaan yang lebih baik dan pengendalian kuasa yang lebih besar.
Bagaimanakah diod terowong berbeza daripada diod ke belakang?
Diod ke belakang dioptimumkan untuk terowong berat sebelah terbalik yang kuat (selalunya untuk pengesanan berat sebelah sifar), manakala diod terowong digunakan untuk operasi NDR ke hadapan.
