ไดโอดอุโมงค์ (Esaki): คำจำกัดความ การทำงาน และตัวอย่าง เช่น 1N3716

คุณเคยสงสัยหรือไม่ว่าส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่ช่วยให้อุปกรณ์ความเร็วสูงทำงานในเวลาไม่กี่มิลลิวินาทีทำงานอย่างไร คำตอบอาจอยู่ในองค์ประกอบที่แปลกประหลาดและน่าสนใจที่สุดอย่างหนึ่งของอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่: ไดโอดอุโมงค์ยังเป็นที่รู้จัก ไดโอดเอซากิอุปกรณ์นี้แม้ว่าจะไม่ค่อยพบเห็นในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบเดิมมากนัก แต่ก็มีคุณสมบัติเฉพาะตัวที่ทำให้มีบทบาทสำคัญในการใช้งานความถี่สูงและความเร็วสูง

ในบทความนี้ เราจะเจาะลึกโลกของไดโอดอุโมงค์ ต้นกำเนิด การทำงานเชิงควอนตัม วัสดุที่ใช้ผลิต คุณลักษณะทางไฟฟ้าเฉพาะ ข้อดีและข้อจำกัด และการใช้งานในปัจจุบัน นอกจากนี้ เราจะทบทวนโมเดลเฉพาะ เช่น 1N3716 ทั้ง 1N3755เตรียมพร้อมที่จะค้นพบว่าเหตุใดส่วนประกอบเล็กๆ น้อยๆ นี้จึงปฏิวัติอุตสาหกรรมได้ และแม้จะมีข้อจำกัด แต่ส่วนประกอบนี้ยังคงมีความสำคัญต่อเทคโนโลยีที่ล้ำสมัยอย่างไร

ไดโอดอุโมงค์ หรือ เอซากิ คืออะไร?

El ไดโอดอุโมงค์เรียกอีกอย่างว่า ไดโอดเอซากิ ไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ชนิดพิเศษซึ่งตั้งชื่อตามนักประดิษฐ์ ลีโอ เอซากิ ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี พ.ศ. 1973 มีลักษณะโดดเด่นคือ รอยต่อ PN ที่ถูกเจือปนอย่างหนัก และแคบ การเจือปนสารอย่างเข้มข้นนี้ทำให้เกิดปรากฏการณ์ทางกลควอนตัมที่เรียกว่า เอฟเฟกต์อุโมงค์โดยที่ตัวพาประจุไฟฟ้าจะข้ามผ่านสิ่งกีดขวางศักย์ไฟฟ้าได้ แม้ว่าตามกฎคลาสสิกแล้วไม่ควรทำเช่นนั้นก็ตาม

เมื่อเทียบกับไดโอดสัญญาณมาตรฐานซึ่งรอยต่อ PN นั้นมีความเข้มข้นของสิ่งเจือปนต่ำกว่าอย่างมีนัยสำคัญ (ประมาณ 1 ส่วนใน 10⁸) ไดโอดอุโมงค์ใช้การเจือปนสารในระดับที่รุนแรง โดยมีประมาณ 1 ส่วนใน 10³. สิ่งนี้จะทำให้เกิด เขตความสูญสิ้นหรือความยากจนที่แคบมากซึ่งเป็นกุญแจสำคัญที่ทำให้เอฟเฟกต์อุโมงค์ปรากฏชัดเจน

หลักการทำงาน: เอฟเฟกต์อุโมงค์ควอนตัม

การทำงานของ a ไดโอดอุโมงค์ มันมีพื้นฐานมาจากกลศาสตร์ควอนตัม โดยมีความน่าจะเป็นจำกัดที่อิเล็กตรอนจะสามารถผ่านทะลุสิ่งกีดขวางศักย์ได้จากมุมมองคลาสสิก แม้ว่าจะไม่มีพลังงานเพียงพอที่จะข้ามสิ่งกีดขวางศักย์ไฟฟ้าก็ตาม แต่หากมองในมุมกลับกัน อิเล็กตรอนจะสามารถผ่านเข้าไปได้ราวกับว่ากำลัง "เจาะอุโมงค์" ผ่านสิ่งกีดขวางนั้น ความน่าจะเป็นในการขุดอุโมงค์ ยิ่งค่าของอุปสรรคยิ่งต่ำลงเท่าไร ก็ยิ่งทำได้แม่นยำมากขึ้นเท่านั้นด้วยการใช้สารเจือปนที่มีความเข้มข้นสูงในบริเวณ PN junction ของไดโอด

ในทางคณิตศาสตร์ ความน่าจะเป็น P ของอนุภาคที่จะข้ามสิ่งกีดขวางขึ้นอยู่กับเลขชี้กำลังทั้งสอง พลังงานกั้นขวาง (อีบ) ตั้งแต่ของเขา ความกว้าง (ญ):
พี α exp(-A × Eb × W)
โดยที่ A เป็นค่าคงที่ที่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติของวัสดุ ประเด็นสำคัญคือ ในไดโอดอุโมงค์ สิ่งกีดขวางนี้จะบางมาก แม้ว่าจะมีพลังงานต่ำกว่าเชิงทฤษฎีก็เพียงพอให้อิเล็กตรอนสามารถผ่านมันไปได้

การก่อสร้างและวัสดุ: เหนือกว่าซิลิคอน

ต่างจากไดโอดซิลิกอนทั่วไป ไดโอดอุโมงค์ โดยปกติแล้วจะทำด้วย เจอร์มานิโอ, แกเลียมอาร์เซไนด์ o แกเลียมแอนติโมไนด์เหตุผลที่ไม่ใช้ซิลิกอนก็คือวัสดุที่กล่าวถึงข้างต้นช่วยให้มีอัตราส่วนที่ดีขึ้นระหว่างกระแสไฟสูงสุด (กระแสไฟพีค) และกระแสไฟต่ำสุด (กระแสไฟในหุบเขา) ซึ่งจำเป็นต่อการใช้งานจริงของส่วนประกอบ รอยต่อ PN ปกติจะมีบริเวณการพร่องที่มีความหนาค่อนข้างมาก ในไดโอดอุโมงค์ บริเวณนี้จะแคบกว่าถึง 100 เท่า โดยมีขนาดประมาณ 10 นาโนเมตร

La ความเข้มข้นของสิ่งเจือปนที่สูง ทั้งสองด้านของรอยต่อ PN หมายความว่าตัวพาประจุส่วนใหญ่ (อิเล็กตรอนและโฮล) มีอยู่ในปริมาณมาก ทำให้เกิดเอฟเฟกต์อุโมงค์แม้ความต่างศักย์ไฟฟ้าจะน้อยมาก ดังนั้นจึงกลายเป็นอุปกรณ์ที่มีความไวสูง เหมาะสำหรับการสลับที่รวดเร็วเป็นพิเศษ

ลักษณะทางไฟฟ้า: ความต้านทานเชิงลบและเส้นโค้ง VI

ลา Una de คุณสมบัติที่โดดเด่นที่สุด ของไดโอดอุโมงค์คือมันแสดงให้เห็น ความต้านทานเชิงลบ ในส่วนหนึ่งของเส้นโค้งลักษณะเฉพาะของแรงดันไฟฟ้า-กระแสไฟฟ้า (VI) ซึ่งหมายความว่า เมื่อแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าเพิ่มขึ้น กระแสไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วก่อนจนกว่าจะถึงจุดสูงสุด (จุดสูงสุด) แต่หากแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอีก กระแสไฟฟ้าจะลดลงจนถึงจุดต่ำสุด (จุดต่ำสุด) จากนั้นจึงเพิ่มขึ้นอีกครั้ง เช่นเดียวกับไดโอดทั่วไป

ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้น โซนต้านทานเชิงลบเป็นพื้นฐานสำหรับการใช้งานไดโอดอุโมงค์หลายๆ ประเภท เช่น การสร้างการสั่นความถี่สูง กราฟลักษณะเฉพาะสามารถสรุปได้ในจุดสำคัญต่อไปนี้:

• โซนการนำไฟฟ้าเริ่มต้น: กระแสจะเพิ่มขึ้นตามแรงดันไฟฟ้าโดยตรงที่เพิ่มขึ้น
• จุดสูงสุด: กระแสไฟฟ้าสูงสุด (Ip) พร้อมแรงดันไฟฟ้าที่เกี่ยวข้อง (Vp)
• โซนความต้านทานเชิงลบ: กระแสจะลดลงแม้ว่าแรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้น จนถึงจุดที่ถึงจุดต่ำสุด
• จุดหุบเขา: กระแสไฟฟ้าขั้นต่ำ (Iv) พร้อมแรงดันไฟหุบเขา (Vv)
• จากนี้ไป พฤติกรรมจะคล้ายกับไดโอดทั่วไป

ในอคติแบบย้อนกลับ ไดโอดอุโมงค์ นอกจากนี้ ยังมีสภาพนำไฟฟ้าที่สำคัญอีกด้วย เนื่องจากเกิดปรากฏการณ์อุโมงค์ ซึ่งทำให้กระแสย้อนกลับสูงสามารถหมุนเวียนได้แม้จะมีแรงดันไฟฟ้าต่ำก็ตาม

สัญลักษณ์ไฟฟ้าและวงจรเทียบเท่า

El สัญลักษณ์ การแสดงไดโอดอุโมงค์ในแผนผังไฟฟ้าอาจแตกต่างกันเล็กน้อย แต่โดยพื้นฐานแล้วจะแสดงให้เห็นรอยต่อ PN ที่มีรูปร่างเฉพาะเพื่อแสดงถึงพฤติกรรมพิเศษของมัน ขั้วบวก (P) และขั้วลบ (N) มีความแตกต่างอย่างชัดเจน

สำหรับ การวิเคราะห์วงจรมีการใช้แบบจำลองเทียบเท่าสัญญาณขนาดเล็ก ซึ่งประกอบด้วย:

• Una ความต้านทานเชิงลบ (-R_o) ที่เกี่ยวข้องกับบริเวณความต้านทานเชิงลบ
• Una ความเหนี่ยวนำแบบอนุกรม (L_s) ข้ามขั้วไดโอด
• Una ความจุจุดเชื่อมต่อ (C).

การรวมกันขององค์ประกอบเหล่านี้สะท้อนถึงพฤติกรรมของไดโอดอุโมงค์ในแอพพลิเคชั่นความถี่สูงและมีความจำเป็นต่อการคาดการณ์การตอบสนองภายใต้เงื่อนไขที่แตกต่างกัน

การใช้งานหลักของไดโอดอุโมงค์

เพราะเขา ความสามารถพิเศษในการเปลี่ยนแปลงสถานะการขับขี่ได้อย่างรวดเร็วไดโอดอุโมงค์นี้ถูกระบุโดยเฉพาะสำหรับ:

• ไมโครเวฟและออสซิลเลเตอร์ความถี่สูง:ใช้ประโยชน์จากโซนความต้านทานเชิงลบเพื่อสร้างและรักษาความสั่นสะเทือนทางไฟฟ้าที่เสถียร ซึ่งมีความจำเป็นในระบบโทรคมนาคม เรดาร์ และระบบไร้สาย
• เครื่องขยายสัญญาณสะท้อน: ใช้ในรูปแบบที่จำเป็นต้องขยายเสียงที่ความถี่ซึ่งทรานซิสเตอร์ทั่วไปทำงานได้ไม่ดีนัก
• สวิตช์ความเร็วสูง:ด้วยการเปลี่ยนผ่านที่แทบจะทันทีระหว่างสถานะขับรถและสถานะไม่ขับรถ
• คอนเวร์ติดอร์ส เด เฟรกูเอนเซีย:ความสามารถในการทำงานทั้งแบบไบอัสไปข้างหน้าและย้อนกลับทำให้สามารถนำไปใช้ในมิกเซอร์สัญญาณได้
• หน่วยความจำเชิงตรรกะในวงจรดิจิตอล:เสถียรภาพในโซนต้านทานเชิงลบนั้นใช้เพื่อจัดเก็บข้อมูลชั่วคราว

แม้ว่าจะมีข้อดีสำหรับความถี่สูง ไม่เหมาะกับการแก้ไขแบบธรรมดา เนื่องมาจากกระแสไฟรั่วแบบไบอัสย้อนกลับที่มีนัยสำคัญซึ่งจำกัดการใช้งานอย่างแพร่หลาย

ข้อดีและข้อเสียของไดโอดอุโมงค์

El ไดโอดอุโมงค์ มีคุณสมบัติเฉพาะตัว มีข้อดีและข้อเสียที่ควรคำนึงถึง ในบรรดาข้อดีของมันมีดังต่อไปนี้ ความเร็วการทำงานที่รวดเร็วเป็นพิเศษ y เสียงเบาอย่างไรก็ตาม มันยังมีข้อจำกัด เช่น กำลังสูงสุดต่ำ และข้อจำกัดของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งาน

• ความได้เปรียบ:
  • ความเร็วการทำงานที่สูงเป็นพิเศษเหมาะสำหรับการสลับและการสร้างสัญญาณในแถบไมโครเวฟ
  • ต้นทุนการผลิตต่ำ และความเรียบง่ายในเชิงสร้างสรรค์เมื่อเทียบกับอุปกรณ์ความถี่สูงอื่นๆ
  • ระดับเสียงต่ำ ระหว่างการผ่าตัด
  • ภูมิคุ้มกันสิ่งแวดล้อมดี และอายุการใช้งานยาวนานด้วยโครงสร้างที่แข็งแกร่ง
• ข้อเสีย:
  • กำลังสูงสุดต่ำทำให้ไม่เหมาะกับการใช้งานที่ใช้พลังงานมาก
  • แรงดันไฟขาออกจำกัด และความผันผวนของสัญญาณเอาท์พุต
  • ไม่มีการแยกระหว่างอินพุตและเอาต์พุต โดยเป็นอุปกรณ์ที่มีสองขั้ว
  • ความยากในการผลิตขนาดใหญ่ และข้อจำกัดในแอปพลิเคชันมาตรฐานบางตัว

แบบจำลองและตัวอย่าง: ไดโอดอุโมงค์ 1N3716 และ 1N3755

ในบรรดาโมเดลประวัติศาสตร์และที่ใช้กันมากที่สุดของ ไดโอดอุโมงค์ โดดเด่น 1N3716 y 1N3755เป็นที่นิยมในห้องปฏิบัติการไมโครเวฟ สถานีโทรคมนาคม และการออกแบบต้นแบบ ทั้งสองอย่างนี้มีลักษณะเฉพาะคือให้ความถี่การทำงานสูงมากและตอบสนองได้อย่างมีประสิทธิภาพในบริเวณความต้านทานเชิงลบ ความรู้เกี่ยวกับประเภทเฉพาะ เช่น ไดโอด Schottky สามารถเสริมความเข้าใจอุปกรณ์เหล่านี้ในบริบทต่างๆ ได้

El 1N3716 กราฟนี้แสดงลักษณะเฉพาะของไดโอดอุโมงค์ โดยมีแรงดันพีคที่ค่อนข้างต่ำและความเร็วในการตอบสนองที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานไมโครเวฟและการสลับที่รวดเร็ว สำหรับส่วนของกราฟนี้ 1N3755 แม้จะมีคุณสมบัติที่คล้ายคลึงกันแต่มีความหลากหลายในรายละเอียด เช่น แรงดันไฟฟ้าในการทำงานและช่วงกระแสไฟฟ้า ซึ่งช่วยให้สามารถนำไปใช้กับการกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์ความถี่สูงเฉพาะได้

การเปรียบเทียบกับไดโอดประเภทอื่น

โลกของไดโอดมีรูปแบบต่างๆ มากมาย เช่น ไดโอดสัญญาณ ไดโอดซีเนอร์ ไดโอดช็อตท์กี้ หรือไดโอดเรกติไฟเออร์ ไดโอดอุโมงค์ มีความแตกต่างหลักๆ ดังนี้:

• ไม่มีประโยชน์ในการแก้ไข เนื่องจากกระแสไฟรั่วไหลแบบไบอัสย้อนกลับสูง
• สามารถเปลี่ยนสถานะได้รวดเร็วมากขึ้น มากกว่า Schottky หรือไดโอดความเร็วสูงอื่นๆ
• แสดงภูมิภาคของ ความต้านทานเชิงลบที่เห็นได้ชัดมาก (ไม่มีอยู่ในไดโอดทั่วไปส่วนที่เหลือ)
• ต้องการ วัสดุเฉพาะและการเจือปนสาร เพื่อการทำงานที่เหมาะสมที่สุด ซึ่งแตกต่างจากซิลิกอนของไดโอดทั่วไป

ลักษณะเฉพาะเหล่านี้ทำให้ไดโอดอุโมงค์มีความพิเศษเฉพาะในช่องที่อุปกรณ์อื่นไม่สามารถแข่งขันได้ แม้ว่าการใช้งานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคจะจำกัดอยู่ก็ตาม

รายละเอียดการทำงาน: เฟสของรอบ VI

เพื่อทำความเข้าใจพฤติกรรมของมัน จำเป็นต้องวิเคราะห์แต่ละเฟสของเส้นโค้งลักษณะเฉพาะของมัน:

• โดยการใช้แรงดันไฟฟ้าตรงเพียงเล็กน้อยตัวพาประจุจะผ่านจุดเชื่อมต่อได้ด้วยผลจากอุโมงค์ ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าต่ำลง
• ด้วยการเพิ่มความตึงเครียดแถบวาเลนซ์และแถบการนำไฟฟ้าทับซ้อนกัน ทำให้กระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วจนถึงจุดสูงสุด
• หลังจากจุดสูงสุดการวางแนวแถบที่ไม่ถูกต้องช่วยลดการขุดอุโมงค์และลดกระแสน้ำไปจนถึงจุดหุบเขา
• ขณะที่ความตึงเครียดยังคงเพิ่มขึ้นมีพฤติกรรมคล้ายคลึงกับทางแยกทั่วไป และกระแสไฟฟ้าก็เพิ่มขึ้นอีกครั้ง
• ภายใต้ความลำเอียงย้อนกลับเอฟเฟกต์อุโมงค์ยังคงยอมให้มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้มาก แม้ว่าแรงดันย้อนกลับสูงสุดมักจะต่ำก็ตาม

เงื่อนไขการใช้งานและข้อจำกัดการทำงาน

El ไดโอดอุโมงค์ สามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้าโดยตรงที่ค่อนข้างสูง โดยบางรุ่นอาจสูงถึง 500 V แต่ แรงดันย้อนกลับสูงสุด (PIV) โดยทั่วไปจะอยู่ที่ระดับต่ำ ประมาณ 40 โวลต์ในตัวอย่างทั่วไป สิ่งสำคัญคือต้องคำนึงถึงข้อจำกัดนี้เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหาย

ความสัมพันธ์ระหว่าง กระแสสูงสุด และ กระแสน้ำในหุบเขา เป็นพารามิเตอร์สำคัญในการเลือกโมเดลที่ถูกต้องโดยเฉพาะอย่างยิ่งในแอปพลิเคชันออสซิลเลเตอร์และเครื่องขยายเสียงซึ่งต้องมีความเสถียรและแอมพลิจูดของสัญญาณในช่วงความต้านทานเชิงลบ

สถานการณ์ในชีวิตประจำวันที่ใช้ไดโอดอุโมงค์

แม้จะมีข้อจำกัดในการใช้งาน ไดโอดอุโมงค์ ตั้งอยู่ที่:

• อุปกรณ์สื่อสารไมโครเวฟ
• เครื่องวัดความถี่สูง
• แหล่งสัญญาณในห้องปฏิบัติการฟิสิกส์อิเล็กทรอนิกส์
• ระบบเรดาร์ที่ต้องตอบสนองในระดับนาโนวินาที

แม้จะมีการนำเทคโนโลยีและวัสดุใหม่ๆ มาใช้ แต่ความเร็วและความน่าเชื่อถือยังคงมีความเกี่ยวข้องในสาขาเฉพาะทางบางสาขา