دیود تونلی تشدیدی (Resonant Tunneling Diode - RTD)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود تونلی تشدیدی (Resonant Tunneling Diode - RTD) :
دیود تونلی تشدیدی یا RTD (Resonant Tunneling Diode) یک قطعه الکترونیکی نیمه هادی پیشرفته است که بر اساس پدیده تونل زنی تشدیدی (Resonant Tunneling) در ساختارهای چاه کوانتومی (Quantum Well) کار می کند. RTD یک نانو-قطعه (Nano-device) است که از لایه های بسیار نازک نیمه هادی با ضخامت در حد چند نانومتر ساخته می شود. این قطعه نیز مانند دیود تونلی، دارای ناحیه مقاومت منفی (Negative Resistance Region) است، اما با عملکرد سریع تر و ویژگی های قابل تنظیم تر.
ساختار RTD شامل یک لایه نیمه هادی با گاف انرژی کوچک (چاه کوانتومی) است که بین دو لایه نیمه هادی با گاف انرژی بزرگ (سدهای تونل زنی - Tunnel Barriers) قرار گرفته است. این ساختار دو-سد-چاه (Double-Barrier-Quantum-Well) معمولا از مواد نیمه هادی ناهمگون (Heterostructures) مانند GaAs/AlGaAs یا InGaAs/InAlAs ساخته می شود. ضخامت هر لایه در حد چند نانومتر است و با روش هایی مانند اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE) ساخته می شود.
مکانیزم کار RTD به این صورت است: در غیاب ولتاژ بایاس، سطوح انرژی گسسته (Discrete Energy Levels) در چاه کوانتومی تشکیل می شود. با اعمال ولتاژ بایاس، این سطوح انرژی جابجا می شوند. هنگامی که انرژی الکترون های سمت امیتر با یکی از سطوح انرژی گسسته در چاه کوانتومی منطبق شود، تونل زنی تشدیدی (Resonant Tunneling) رخ می دهد و جریان به شدت افزایش می یابد.
با افزایش بیشتر ولتاژ، این تطابق انرژی از بین رفته و جریان کاهش می یابد (ناحیه مقاومت منفی). این رفتار منحصر به فرد باعث می شود مشخصه I-V دیود RTD دارای قله های (Peaks) تیز و دره های (Valleys) عمیق باشد. نسبت جریان پیک به دره (Peak-to-Valley Current Ratio - PVCR) در RTDهای پیشرفته می تواند بسیار بالا باشد (تا ۵۰ یا بیشتر).
سرعت عملکرد RTD فوق العاده بالا است و می تواند تا محدوده تراهرتز (THz) کار کند. دلیل این سرعت بالا، ماهیت تونل زنی است که یک فرآیند بسیار سریع (زمان در حد فمتوثانیه) است. RTDها سریع ترین قطعات الکترونیکی مبتنی بر نیمه هادی هستند و می توانند در فرکانس هایی کار کنند که ترانزیستورها قادر به کار نیستند.
مهم ترین کاربرد RTD در نوسان سازهای تراهرتز (THz Oscillators) است. با ترکیب RTD با یک آنتن یا مدار تشدید مناسب، می توان نوسان سازهایی در محدوده فرکانسی ۰.۳ تا ۳ تراهرتز ساخت. این منابع تراهرتز برای تصویربرداری، طیف سنجی، و مخابرات بی سیم با سرعت بسیار بالا کاربرد دارند.
کاربرد دیگر در مدارات منطقی پرسرعت (High-Speed Logic Circuits) است. RTDها می توانند برای پیاده سازی گیت های منطقی چندحالته (Multi-Valued Logic) و مدارات حافظه (Memory Cells) با سرعت بالا استفاده شوند. همچنین در مدارات مولد پالس (Pulse Generators) با پهنای پالس بسیار کوتاه (چند پیکوثانیه) کاربرد دارند.
RTDها در آشکارسازهای توان بالا (High-Frequency Detectors) و میکسرها (Mixers) نیز استفاده می شوند. خاصیت غیرخطی قوی آنها در فرکانس های بالا برای اختلاط سیگنال ها و تشخیص سیگنال های ضعیف مفید است. همچنین می توان از آنها در مدارات تقسیم فرکانس (Frequency Dividers) استفاده کرد.
یکی از چالش های اصلی RTD، توان خروجی پایین (معمولا زیر ۱ میلی وات) است. به دلیل ابعاد بسیار کوچک و محدودیت های حرارتی، نمی توان توان بالایی از یک RTD منفرد استخراج کرد. برای افزایش توان، می توان از آرایه های RTD استفاده کرد، اما این کار چالش های همگام سازی (Synchronization) را به همراه دارد.
مواد سازنده RTD معمولا از خانواده نیمه هادی های III-V مانند GaAs/AlGaAs، InGaAs/InAlAs، و InAs/AlSb هستند. این مواد به دلیل ناهمگونی رسانایی (Conduction Band Offset) مناسب و کیفیت بالای لایه های اپیتاکسیال انتخاب می شوند. تحقیق روی RTDهای مبتنی بر گرافن و مواد دوبعدی دیگر نیز در حال انجام است.
یکی از زمینه های پیشرفته، یکپارچه سازی RTD با ترانزیستورها (RTD-HEMT یا RTD-HBT Integration) است. این ترکیب می تواند مدارات با عملکرد بالا و تراکم بالا ایجاد کند. به عنوان مثال، می توان از RTD به عنوان المان تولید نوسان محلی (Local Oscillator) در یک گیرنده مخابراتی استفاده کرد و سیگنال را با ترانزیستور تقویت نمود.
در نهایت، RTDها به عنوان قطعات کلیدی برای الکترونیک تراهرتز (Terahertz Electronics) در حال ظهور هستند. با وجود چالش ها، پیشرفت در فناوری ساخت و طراحی مدار، RTDها را به گزینه های جذابی برای نسل آینده سیستم های مخابراتی با سرعت فوق العاده بالا، تصویربرداری امنیتی، و طیف سنجی تبدیل کرده است.
