Кіріспе

Кванттық туннельдеу эффектісін пайдаланатын диод. Туннельдік диод немесе Эсаки диоды – туннельдеу деп аталатын кванттық механикалық эффектінің нәтижесінде "теріс кедергіге" ие жартылай өткізгіш диодтың бір түрі. Оны 1957 жылдың тамызында Лео Эсаки Токио Цусин Когё (қазір Sony) компаниясында жұмыс істеген кезде ойлап тапты. 1973 жылы Эсаки жартылай өткізгіштерде электрондық туннельдеу эффектін тәжірибелік түрде көрсеткені үшін физика саласындағы Нобель сыйлығын алды. Роберт Нойс Уильям Шокли үшін жұмыс істеген кезде туннельдік диод идеясын тәуелсіз түрде ойлап тапты, бірақ оны дамытудан бас тартты. Туннельдік диодтарды алғаш рет 1957 жылы Sony компаниясы, кейін 1960 жылдан бастап General Electric және басқа компаниялар өндірді. Туннельдік диодтардың P-N тоғысуы шамамен 10 нм (100 Å) енімен тығыз допингтелген. Тығыз допинг нәтижесінде энергиялық жолақ бұзылады, N жағындағы өткізгіштік жолақтың электрондық деңгейлері P жағындағы валенттілік жолақтың тесік деңгейлерімен шамамен сәйкес келеді. Олар көбінесе германийден жасалады, бірақ галлий арсениді мен кремнийден де жасалуы мүмкін.

Қолданылуы

Олардың жұмыс диапазонының бір бөлігіндегі теріс дифференциалдық кедергі оларға осцилляторлар мен күшейткіштер ретінде, сондай-ақ гистерезис қолданылатын айналдыру тізбектерінде жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Олар жиілік түрлендіргіштер мен детекторлар ретінде де қолданылады. Олардың төмен сыйымдылығы микротолқынды жиіліктерде жұмыс істеуге мүмкіндік береді, бұл қарапайым диодтар мен транзисторлардың мүмкіндіктерінен әлдеқайда жоғары. Туннельдік диодтардың төмен шығыс қуаты болғандықтан, олар кеңінен қолданылмайды: олардың радиожиіліктік шығысы кернеудің шағын өзгеруіне байланысты бірнеше жүз милливатқа дейін шектеледі. Дегенмен, соңғы жылдары туннельдеу механизмін пайдаланатын жаңа құрылғылар жасалды. Резонанстық туннельдеу диоды (RTD) кез келген қатты күйдегі осцилляторлардың ең жоғары жиіліктеріне қол жеткізді. Туннельдік диодтың тағы бір түрі – металл-оқшаулағыш-оқшаулағыш-металл (MIIM) диоды, онда қосымша оқшаулағыш қабат диодты дәлірек басқару үшін «сатылы туннельдеуге» мүмкіндік береді. Сонымен қатар, металл-оқшаулағыш-металл (MIM) диоды да бар, бірақ оның ішкі сезімталдығына байланысты, қазіргі қолданылуы ғылыми-зерттеу орталарымен шектеледі.

Алға қарай ауытқу операциясы

Қалыпты алға қарайлас жұмыс істеу кезінде, кернеу өсуі басталысымен электрондар алдымен өте тар P-N қосылыс кедергісі арқылы туннельдеп өтіп, N жағындағы өткізгіштік жолақтағы электрондық деңгейлерді толтырады, бұл деңгейлер P-N қосылысының P жағындағы бос валенттік жолақтағы тесіктермен сәйкес келеді. Кернеу одан әрі артқанда, бұл деңгейлер біртіндеп үйлесімсіз болып, ток төмендейді. Бұл теріс дифференциалдық кедергі деп аталады, себебі ток кернеудің артуымен азаяды. Кернеу белгілі бір ауысу нүктесінен асып кеткенде, диод қалыпты диод сияқты жұмыс істей бастайды, онда электрондар P-N қосылысы арқылы өткізгіштікпен жүседі, енді P-N қосылыс кедергісі арқылы туннельдемейді. Туннельдік диод үшін ең маңызды жұмыс аймағы – "теріс кедергі" аймағы. Оның графигі қалыпты P-N қосылыс диодынан ерекшеленеді.

Кері бұрылыс операциясы

Кері бағытта қолданылғанда туннельдік диодтар кері диодтар (немесе артқа қарай диодтар) деп аталады және қуат сигналдары үшін нөлдік смещение кернеуімен және өте жоғары сызықтықпен жұмыс істейтін жылдам түзеткіштер ретінде қолданылуы мүмкін (олар кері бағытта нақты квадрат заңына сәйкес келеді). Кері бұрылыс кезінде P жағындағы толтырылған энергия деңгейлері N жағындағы бос энергия деңгейлерімен үйлеседі, соның салдарынан электрондар PN торабының кедергісін кері бағытта туннельдеп өтеді.

Техникалық салыстырулар

Кәдімгі жартылай өткізгіш диодта, PN торабы алға қарай бұрылғанда ток өткізіледі, ал кері бұрылғанда ток ағыны тоқтатылады. Бұл "кері бұзылу кернеуі" деп аталатын шекке дейін жүреді, содан кейін өткізгіштік басталады (көбінесе құрылғының бұзылуына алып келеді). Туннельдік диодта P және N қабаттарындағы қоспа концентрациясы остігіндей арттырылады, нәтижесінде кері бұзылу кернеуі нөлге жетеді және диод кері бағытта ток өткізеді. Дегенмен, алға қарай бұрылғанда "кванттық механикалық туннельдеу" деп аталатын эффект пайда болады, ол кернеу-ток сипаттамасындағы бір аймақты тудырады, онда алға қарайғы кернеудің артуы алға қарайғы ток азаюымен сүйемелденеді. Бұл "теріс кедергі" аймағы, әдетте тетродтық электрондық лампаны (вакуумдық түтікше) қолданатын динатрон осцилляторының күйбелеу тізбегінің қатты дене нұсқасында қолданылуы мүмкін.

Қолданбалар

Туннельдік диод осциллятор және жоғары жиіліктің шегі (триггер) құрылғысы ретінде үлкен мүмкіндіктерді көрсетті, себебі ол тетродтан әлдеқайда жоғары жиіліктерде жұмыс істеді: микротолқынды жиіліктер саласында. Туннельдік диодтарды қолдануға UHF теледидар тюнерлері үшін жергілікті осцилляторлар, осциллографтардағы триггерлік тізбектер, жоғары жылдамдықты сандық тізбектер және өте жылдам өрлеу уақыты бар импульстік генератор тізбектері жатты. 1977 жылы Intelsat V спутнигі қабылдағышы 14–15,5 ГГц жиілік диапазонында микрожолақты туннельді диодты күшейткіштің (TDA) кіріс бөлімін қолданды. Мұндай күшейткіштер өте жетілген технология саналды, кез келген транзисторлық кіріс бөлімінен жоғары жиіліктерде жақсы өнімділік көрсетті. Туннельдік диодты төмен шулы микротолқынды күшейткіш ретінде де пайдалануға болады. Ганн диодының да жоғары жиіліктік мүмкіндігі ұқсас, бірақ ол көбірек қуатты қабылдай алады. Туннельдік диодтар басқа диодтарға қарағанда иондаушы сәулеленуге төзімдірек. Бұл оларды ғарышта кездесетін жоғары сәулелену ортасына өте қолайлы етеді.

Ұзақ өмір сүру

Туннельді диодтар қызып кеткенде зақымдануға бейім, сондықтан оларды дәнекерлеген кезде ерекше сақтық қажет. Туннельді диодтар ұзақ қызмет ету мерзімімен ерекшеленеді, 1960 жылдары жасалған құрылғылардың да қазірге дейін жұмыс істеп келе жатқаны белгілі. Nature журналында жарияланған мақаласында Эсики және авторлар жартылай өткізгіш құрылғылардың өте тұрақты екенін, егер бөлме температурасында сақталса, олардың қызмет ету мерзімі "шексіз" болуы мүмкін екенін айтады. Олар 50 жыл бұрын жасалған құрылғылардың шағын сынағын жүргізіп, диодтың ұзақ қызмет ететініне "құптарлықтай растау" алғандарын хабарлайды. Эсики диодтарының кейбір үлгілерінде байқағанындай, алтын жалатылған темір тіреулер шындығында тотығып, корпусқа қысқа тұйықталуы мүмкін. Мұны әдетте телефондық басылған платаларды (PCB) жөндеу үшін қолданылатын қарапайым пероксид/сірке су әдісімен анықтауға және емдеуге болады, ал диодтың ішіндегі бөлігі әдетте жұмыс істей береді. Артық ресейлік компоненттер де сенімді және бастапқы құны 30-50 фунт болғанына қарамастан, оларды бірнеше пенске сатып алуға болады. Әдетте сатылатын құрылғылар GaAs негізді және шамамен 1–20 мА Ipk тогында 5:1 қатынасына ие, сондықтан оларды артық токтан қорғау қажет.