دیود تونلی (Tunnel Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود تونلی (Tunnel Diode) :
دیود تونلی (Tunnel Diode) که با نام دیود ایساکی (Esaki Diode) نیز شناخته می شود، یک نوع دیود نیمه هادی با ناخالصی بسیار بالا (Highly Doped) است که بر اساس مکانیزم تونل زنی کوانتومی (Quantum Tunneling) کار می کند. این دیود در سال ۱۹۵۷ توسط لئو ایساکی اختراع شد و اولین قطعه ای بود که از اثر تونل زنی کوانتومی در یک قطعه الکترونیکی استفاده می کرد. ویژگی منحصر به فرد دیود تونلی، وجود ناحیه مقاومت منفی (Negative Resistance Region) در مشخصه جریان-ولتاژ (I-V Curve) آن است.
در دیود تونلی، هر دو ناحیه P و N بسیار heavily doped (با غلظت ناخالصی حدود
\[ 10^{19} \]تا
\[ 10^{20} \]اتم بر سانتی متر مکعب) هستند. این غلظت بالا باعث می شود که سطح فرمی (Fermi Level) در ناحیه P به درون نوار ظرفیت (Valence Band) و در ناحیه N به درون نوار هدایت (Conduction Band) فرو رود. در نتیجه، ناحیه تهی (Depletion Region) بسیار باریک (حدود ۱۰ نانومتر) می شود. این ناحیه باریک به الکترون ها اجازه می دهد با مکانیزم تونل زنی کوانتومی از سد پتانسیل عبور کنند.
مشخصه I-V دیود تونلی منحصر به فرد است. در بایاس مستقیم (Forward Bias) کوچک (تا حدود ۵۰-۱۵۰ میلی ولت)، جریان به دلیل تونل زنی به سرعت افزایش یافته و به یک پیک (Peak Current - I_P) می رسد. با افزایش بیشتر ولتاژ، جریان تونل زنی کاهش می یابد (ناحیه مقاومت منفی) تا به یک دره (Valley Current - I_V) برسد. پس از آن، جریان دوباره افزایش می یابد (مشابه دیود معمولی). این رفتار منحصر به فرد کاربردهای جالبی ایجاد می کند.
نسبت جریان پیک به دره (Peak-to-Valley Current Ratio - PVCR) یکی از پارامترهای مهم دیود تونلی است. این نسبت نشان می دهد که ناحیه مقاومت منفی چقدر مشخص است. PVCR بالاتر (معمولا بین ۳ تا ۲۰ برای دیودهای تونلی ژرمانیومی و گالیوم آرسناید) عملکرد بهتری در مدارات نوسان ساز و سوئیچینگ ایجاد می کند. دیودهای تونلی سیلیکونی PVCR پایین تری دارند.
مهم ترین کاربرد دیود تونلی، در نوسان سازهای فرکانس بالا (High-Frequency Oscillators) است. ناحیه مقاومت منفی در مشخصه I-V به این معناست که دیود می تواند توان الکتریکی تلف نکند، بلکه توان تولید کند و به عنوان یک المان فعال (Active Element) برای جبران تلفات در مدار تشدید (Resonant Circuit) عمل کند. دیودهای تونلی می توانند تا فرکانس های بسیار بالا (چند صد گیگاهرتز تا تراهرتز) نوسان کنند.
کاربرد دیگر در مدارات سوئیچینگ فوق سریع (Ultra-Fast Switching Circuits) است. به دلیل ماهیت تونل زنی که یک فرآیند بسیار سریع است، دیودهای تونلی می توانند در زمان های بسیار کوتاه (چند پیکوثانیه) سوئیچ کنند. از آنها در مدارات فلیپ فلاپ (Flip-Flops) و مدارات منطقی پرسرعت استفاده می شود، هرچند امروزه تا حد زیادی توسط ترانزیستورهای سریع جایگزین شده اند.
در مدارات تقویت کننده (Amplifiers) نیز می توان از دیود تونلی استفاده کرد. با بایاس کردن دیود در ناحیه مقاومت منفی و اعمال سیگنال کوچک، می توان تقویت سیگنال را در فرکانس های بالا انجام داد. تقویت کننده های دیود تونلی پهنای باند بسیار وسیعی دارند اما بهره محدودی ارائه می دهند.
دیود تونلی همچنین در مدارات مولد پالس (Pulse Generators) و شکل دهنده های موج (Wave Shapers) کاربرد دارد. با استفاده از خاصیت مقاومت منفی، می توان پالس های بسیار کوتاه و تیز (Sharp Pulses) تولید کرد. همچنین در مدارات آشکارساز (Detectors) و میکسرها (Mixers) در فرکانس های بالا استفاده می شود.
مواد سازنده دیود تونلی معمولا ژرمانیوم (Germanium) یا گالیوم آرسناید (Gallium Arsenide - GaAs) هستند. دیودهای تونلی ژرمانیومی دارای PVCR خوب (حدود ۵ تا ۱۰) و ولتاژ پیک پایین هستند. دیودهای تونلی GaAs دارای PVCR بالاتر (تا ۲۰) و فرکانس کاری بالاتری هستند. سیلیکون نیز استفاده می شود اما PVCR پایین تری دارد.
محدودیت های دیود تونلی شامل ولتاژ کاری پایین (معمولا کمتر از ۱ ولت)، توان خروجی محدود (چند میلی وات)، و دامنه سیگنال کوچک است. همچنین ساختار دوپایه (Two-Terminal) آن کنترل را دشوارتر از ترانزیستورهای سه پایه می کند. به همین دلیل، امروزه کاربرد دیود تونلی محدود به موارد خاص فرکانس بالا و نویز پایین است.
با ظهور ترانزیستورهای پرسرعت مانند HEMT و HBT، بسیاری از کاربردهای دیود تونلی در مدارات مجتمع توسط این ترانزیستورها پوشش داده شده است. با این حال، در فرکانس های بسیار بالا (باند میلی متری و تراهرتز)، دیود تونلی همچنان یک گزینه مناسب برای نوسان سازها و آشکارسازها محسوب می شود.
در نهایت، دیود تونلی به عنوان اولین قطعه ای که از اثر تونل زنی کوانتومی استفاده می کرد، جایگاه ویژه ای در تاریخ الکترونیک دارد. با وجود محدودیت ها، ویژگی منحصر به فرد مقاومت منفی و سرعت فوق العاده بالا، آن را برای برخی کاربردهای خاص در فرکانس های بالا و نویز پایین همچنان ارزشمند ساخته است.
