دیود تونل زنی (Tunneling Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود تونل زنی (Tunneling Diode) :
دیود تونل زنی (Tunneling Diode) که با نام دیود تونلی (Tunnel Diode) یا دیود ایساکی (Esaki Diode) نیز شناخته می شود، یک نوع دیود نیمه هادی است که بر اساس مکانیزم تونل زنی کوانتومی (Quantum Tunneling) کار می کند. این دیود در سال ۱۹۵۷ توسط لئو ایساکی (Leo Esaki) اختراع شد که بعدها به خاطر این کشف موفق به دریافت جایزه نوبل فیزیک شد. ویژگی منحصر به فرد دیود تونلی، وجود ناحیه مقاومت منفی (Negative Resistance Region) در مشخصه جریان-ولتاژ (I-V Curve) آن است.
ساختار دیود تونلی با دیود معمولی تفاوت اساسی دارد: هر دو ناحیه P و N در این دیود بسیار heavily doped (با غلظت ناخالصی حدود ۱۰^۱۹ تا ۱۰^۲۰ 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 که به الکترون ها اجازه می دهد از طریق تونل زنی از سد 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). نسبت جریان پیک به دره (Peak-to-Valley Current Ratio - PVCR) معمولا بین ۳ تا ۲۰ است.
پارامترهای مهم دیود تونلی عبارتند از: جریان پیک (I_P)، جریان دره (I_V)، ولتاژ پیک (V_P)، ولتاژ دره (V_V)، ولتاژ پیک رو به جلو (Peak Forward Voltage)، و ظرفیت خازنی (C_j). این پارامترها رفتار مقاومت منفی را تعیین می کنند. دیودهای تونلی معمولا در فرکانس های بسیار بالا (تا چند صد گیگاهرتز) می توانند کار کنند.
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.
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.
در نهایت، دیود تونلی به عنوان اولین قطعه ای که از اثر تونل زنی کوانتومی در یک قطعه الکترونیکی 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. با پیشرفت فناوری نانو و مواد جدید، علاقه به دیودهای تونلی و نسخه های پیشرفته تر آن (مانند RTD) برای کاربردهای تراهرتز دوباره افزایش یافته است.
