Tunneldiodenschaltung mit Betrieb und Anwendungen

Tunneldiodenschaltung mit Betrieb und Anwendungen

Eine Tunneldiode ist auch als Eskari-Diode bekannt und ein hochdotierter Halbleiter, der sehr schnell arbeiten kann. Leo Esaki erfand die Tunneldiode im August 1957. Das Germaniummaterial wird hauptsächlich zur Herstellung von Tunneldioden verwendet. Sie können auch aus Galliumarsenid- und Siliziummaterialien hergestellt werden. Tatsächlich werden sie in Frequenzdetektoren und Wandlern verwendet. Die Tunneldiode weist in ihrem Betriebsbereich einen negativen Widerstand auf. Daher kann es als verwendet werden ein Verstärker , Oszillatoren und in beliebigen Schaltkreisen.

Was ist eine Tunneldiode?

Tunneldiode ist die PN-Übergang Gerät, das einen negativen Widerstand aufweist. Wenn die Spannung erhöht wird, nimmt der durch sie fließende Strom ab. Es funktioniert nach dem Prinzip des Tunneleffekts. Die Metall-Isolator-Metall (MIM) -Diode ist eine andere Art von Tunneldiode, aber ihre derzeitige Anwendung scheint aufgrund von ererbten Empfindlichkeiten auf Forschungsumgebungen beschränkt zu sein, wobei ihre Anwendungen als sehr begrenzt auf Forschungsumgebungen angesehen werden. Es gibt noch eine Diode namens Metall-Isolator-Isolator-Metall (MIIM) -Diode welches eine zusätzliche Isolatorschicht enthält. Die Tunneldiode ist eine Vorrichtung mit zwei Anschlüssen mit einem Halbleiter vom n-Typ als Kathode und einem Halbleiter vom p-Typ als Anode. Die Tunneldiode Schaltungssymbol ist wie unten gezeigt.




Tunneldiode

Tunneldiode



Phänomen der Tunneldiodenarbeit

Basierend auf der Theorie der klassischen Mechanik muss ein Teilchen Energie aufnehmen, die der potenziellen Höhe der Energiebarriere entspricht, wenn es sich von einer Seite der Barriere zur anderen bewegen muss. Andernfalls muss Energie von einer externen Quelle geliefert werden, damit die N-seitigen Elektronen des Übergangs über die Verbindungsbarriere springen können, um die P-Seite des Übergangs zu erreichen. Wenn die Barriere dünn ist, wie in einer Tunneldiode, impliziert dies gemäß der Schrödinger-Gleichung, dass eine große Wahrscheinlichkeit besteht und dann ein Elektron durch die Barriere dringt. Dieser Prozess wird ohne Energieverlust des Elektrons ablaufen. Das Verhalten der Quantenmechanik zeigt das Tunneln an. Die hohe Verunreinigung PN-Verbindungsvorrichtungen werden als Tunneldioden bezeichnet. Das Tunnelphänomen liefert einen Mehrheitsträgereffekt.

P∝exp⁡ (-A * E_b * W)



Wo,

'E' ist die Energie der Barriere,
'P' ist die Wahrscheinlichkeit, dass das Teilchen die Barriere überschreitet.
'W' ist die Breite der Barriere


Bau einer Tunneldiode

Die Diode hat einen Keramikkörper und einen hermetisch abdichtenden Deckel. Ein kleiner Zinnpunkt wird zu einem stark dotierten Pellet vom n-Typ Ge legiert oder verlötet. Das Pellet ist mit einem Anodenkontakt verlötet, der zur Wärmeableitung verwendet wird. Der Zinnpunkt ist über ein Maschensieb mit dem Kathodenkontakt verbunden, um zu reduzieren die Induktivität .



Bau einer Tunneldiode

Bau einer Tunneldiode

Betrieb und seine Eigenschaften

Der Betrieb der Tunneldiode umfasst hauptsächlich zwei Vorspannungsverfahren wie Vorwärts und Rückwärts

Vorwärtsvorspannungsbedingung

Unter der Vorwärtsvorspannungsbedingung nimmt der Strom mit zunehmender Spannung ab und wird daher zunehmend falsch ausgerichtet, was als negativer Widerstand bekannt ist. Ein Spannungsanstieg führt dazu, dass eine normale Diode betrieben wird, in der sich die Elektronenleitung über die Diode bewegt PN-Sperrschichtdiode . Der negative Widerstandsbereich ist der wichtigste Betriebsbereich für eine Tunneldiode. Die Eigenschaften der Tunneldiode und der normalen PN-Sperrschichtdiode unterscheiden sich voneinander.

Reverse Bias Condition

Im umgekehrten Zustand wirkt die Tunneldiode als Rückwärtsdiode oder Rückwärtsdiode. Bei einer Offset-Spannung von Null kann es als schneller Gleichrichter fungieren. Im umgekehrten Vorspannungszustand sind die leeren Zustände auf der n-Seite mit den gefüllten Zuständen auf der p-Seite ausgerichtet. In umgekehrter Richtung tunneln die Elektronen durch eine Potentialbarriere. Die Tunneldiode wirkt aufgrund ihrer hohen Dotierungskonzentrationen als ausgezeichneter Leiter.

Tunneldiodeneigenschaften

Tunneldiodeneigenschaften

Der Vorwärtswiderstand ist aufgrund seines Tunneleffekts sehr gering. Eine Erhöhung der Spannung führt zu einer Erhöhung des Stroms, bis der Spitzenstrom erreicht ist. Wenn die Spannung jedoch über die Spitzenspannung hinaus ansteigt, nimmt der Strom automatisch ab. Dieser negative Widerstandsbereich herrscht bis zum Talpunkt. Der Strom durch die Diode ist am Talpunkt minimal. Die Tunneldiode wirkt wie eine normale Diode, wenn sie sich jenseits des Talpunkts befindet.

Stromkomponenten in einer Tunneldiode

Der Gesamtstrom einer Tunneldiode ist unten angegeben

icht= Ichtun+ I.Diode+ I.Überschuss

Der in der Tunneldiode fließende Strom ist der gleiche wie der in der normalen PN-Sperrschichtdiode fließende Strom, der unten angegeben ist

ichDiode= Ichmachen* (exp ( ? * V.t)) -1

ichmachen - Sättigungsstrom umkehren

V.t - Spannungsäquivalent der Temperatur

V. - Spannung an der Diode

das - Korrekturfaktor 1 für Ge und 2 für Si

Durch das parasitäre Tunneln über Verunreinigungen entsteht der Überstrom und es handelt sich um einen zusätzlichen Strom, mit dem der Talpunkt bestimmt werden kann. Der Tunnelstrom ist wie unten angegeben

ichtun= (V / R.0) * exp (- (V / V.0)m)

Wo, V.0 = 0,1 bis 0,5 Volt und m = 1 bis 3

R.0 = Tunneldiodenwiderstand

Spitzenstrom, Spitzenspannung der Tunneldiode

Die Spitzenspannung und der Spitzenstrom einer Tunneldiode sind maximal. Typischerweise ist für eine Tunneldiode die Spannungsunterbrechung größer als die Spitzenspannung. Und der Überstrom und der Diodenstrom können als vernachlässigbar angesehen werden.

Für einen minimalen oder maximalen Diodenstrom

V = V.Gipfel, vontun/ dV = 0

(1 / R.0) * (exp (- (V / V.0)m) - (m * (V / V.0)m* exp (- (V / V.0)m) = 0

Dann 1 - m * (V / V.0)m= 0

Vpeak = ((1 / m)(1 / m)) * V.0* exp (-1 / m)

Maximaler negativer Widerstand einer Tunneldiode

Der negative Widerstand eines kleinen Signals ist unten angegeben

R.n= 1 / (dI / dV) = R.0/ (1 - (m * (V / V.0)m) * exp (- (V / V.0)m) / R.0= 0

Wenn dI / dV = 0 ist, R.n ist also maximal

(m * (V / V.0)m) * exp (- (V / V.0)m) / R.0= 0

Wenn V = V.0* (1 + 1 / m)(1 / m) dann wird maximal sein, so wird die Gleichung sein

(R.n)max= - (R.0* ((exp (1 + m)) / m)) / m

Tunneldiodenanwendungen

  • Aufgrund des Tunnelmechanismus wird es als Ultrahochgeschwindigkeitsschalter verwendet.
  • Die Schaltzeit liegt in der Größenordnung von Nanosekunden oder sogar Pikosekunden.
  • Aufgrund des dreifach bewerteten Merkmals seiner Stromkurve wird es als Logikspeicher verwendet.
  • Aufgrund der extrem geringen Kapazität, Induktivität und des negativen Widerstands wird es als Mikrowellenoszillator bei einer Frequenz von etwa 10 GHz verwendet.
  • Aufgrund seines negativen Widerstands wird es als Relaxationsoszillatorschaltung verwendet.

Arten von Tunneldioden

Vorteile der Tunneldiode

  • Kostengünstig
  • Wenig Lärm
  • Einfache Bedienung
  • Schnelle Geschwindigkeit
  • Geringer Strom
  • Unempfindlich gegen nukleare Strahlung

Nachteile der Tunneldiode

  • Als Gerät mit zwei Anschlüssen bietet es keine Isolation zwischen Ausgangs- und Eingangsschaltungen.
  • Der Spannungsbereich, der ordnungsgemäß mit 1 Volt oder weniger betrieben werden kann.

Hier dreht sich alles um die Tunneldiode Schaltung mit Operationen, Schaltplan und seinen Anwendungen. Wir glauben, dass die Informationen in diesem Artikel für Sie hilfreich sind, um dieses Projekt besser zu verstehen. Darüber hinaus Fragen zu diesem Artikel oder Hilfe bei der Implementierung der Elektro- und Elektronikprojekte Sie können sich gerne an uns wenden, indem Sie im Kommentarbereich unten eine Verbindung herstellen. Hier ist eine Frage an Sie, was ist das Hauptprinzip des Tunneleffekts?

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