دیود تونل — از صفر تا صد

دیود تونل یا تونلی (Tunnel Diode) یک دیود پیوند ناخالصی P-N است که در آن با افزایش ولتاژ، جریان الکتریکی کاهش می‌یابد. در این دیود جریان الکتریکی توسط پدیده تونل‌زنی (سوراخ شدن سد پتانسیل در نیمه رسانا) به وجود می‌آید. دیودهای تونلی به عنوان ادوات کلید‌زنی بسیار سریع در کامپیوترها به کار می‌روند. همچنین از این دیودها در نوسان‌سازهای فرکانس بالا و تقویت‌کننده‌ها استفاده می‌شود. در این مطلب قصد داریم تا به معرفی این نوع از دیودها بپردازیم و اصول کاری آن‌ها را شرح دهیم و نیز کاربردهای این نوع دیودها را بررسی کنیم.

نماد دیود تونل

در دیود تونل نیمه‌رسانای نوع p، به عنوان آند (Anode) و نیمه‌رسانای نوع n به عنوان کاتد (Cathode) عمل می‌کنند.

فیلم آموزش فیزیک الکترونیک – بخش یکم در فرادرس

کلیک کنید

نماد مداری دیود تونل در شکل زیر نمایش داده شده است.

می‌دانیم که آند یک الکترود با بار مثبت است که الکترون‌ها را جذب می‌کند و کاتد الکترودی با ابر منفی است که الکترون‌ها از آن خارج می‌شوند. در دیود تونلی، نیمه‌رسانای نوع n الکترون از خود ساطع می‌کند، پس به عنوان کاتد در نظر گرفته می‌شود. از طرف دیگر، نیمه‌رسانای نوع p الکترون‌های خارج شده از نیمه‌رسانای نوع p را به خود جذب می‌کنند در نتیجه به عنوان آند در نظر گرفته می‌شود.

دیود تونلی چیست؟

دیودهای تونلی یکی از مهم‌ترین ادوات الکترونیک حالت جامد هستند که در علم الکترونیک ظهور یافته‌اند. این نوع دیود در سال 1958 توسط «لیو ایساکی» (Leo Esaki) اختراع شد. لیو ایساکی در آزمایش‌های خود مشاهده کرده بود که اگر یک دیود نیمه‌رسانا توسط ناخالصی‌ها آلاییده (Doped) شود، مقاومتی منفی را از خود نشان خواهد داد. مقاومت منفی به این معنی است که با افزایش ولتاژ، جریان عبوری از دیود کاهش می‌یابد. در سال 1973 به افتخار کشف اثر تونل‌زنی الکترون (Electron Tunneling Effect) که در دیودهای تونلی اتفاق می‌افتد، جایزه نوبل فیزیک به او تعلق گرفت. دیود تونلی با نام دیود ایساکی نیز شناخته می‌شود، که به افتخار مخترع آن نام‌گذاری شده است. عملکرد دیود تونلی بر اصل تونل‌زنی در علم مکانیک کوانتوم استوار است. در الکترونیک، تونل‌زنی به معنی یک جریان مستقیم از الکترون‌ها از باند هدایت (Conduction Band) نیمه‌رسانای نوع n به باند ظرفیت (Valence Band) نیمه‌رسانای نوع p در طول ناحیه کوچک تخلیه (Depletion Region) است.

معمولا برای ساخت دیود تونل از عنصر ژرمانیوم (Germanium) استفاده می‌شود. عناصر دیگری مانند گالیوم آرسنید (Gallium Arsenide)، گالیوم آنتی مونید (Gallium Antimonide) و سیلیکون (Silicon) نیز در ساخت این دیودها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

عرض ناحیه تخلیه در دیود تونلی

ناحیه تخلیه ناحیه‌ای در یک دیود پیوند p-n است که حامل‌های متحرک بار (الکترون‌های آزاد و حفره‌ها) در آن حضور ندارند. ناحیه تخلیه مانند یک سد است که در مقابل جریان الکترون‌ها از نیمه‌رسانای نوع n و حفره‌ها از نیمه‌رسانای نوع p ممانعت می‌کند.

عرض ناحیه تخلیه به تعداد ناخالصی‌های افزوده شده بستگی دارد. ناخالصی‌ها اتم‌هایی هستند که به منظور افزایش هدایت الکتریکی به نیمه‌رساناهای نوع p و n افزوده می‌شوند. اگر تعدا کمی ناخالصی به نیمه‌رساناهای نوع p و n افزوده شده باشد، یک ناحیه تخلیه بزرگ شکل می‌گیرد. از طرف دیگر، اگر تعداد زیادی ناخالصی به نیمه‌رساناها افزوده شود، ناحیه تخلیه کوچکی به وجود می‌آید.

در دیود تونلی، نیمه‌رساناهای نوع p و n به شدت آلاییده (ناخالص) شده‌اند. این بدین معنی است که تعداد زیادی ناخالصی به این نیمه‌رساناها افزوده شده است. به همین دلیل، عرض ناحیه تخلیه در دیودهای تونلی بسیار باریک است. در دیود تونلی تراکم ناخالصی‌ها 1000 برابر بیشتر از دیود معمولی پیوند p-n است.

در دیود عادی پیوند p-n، عرض ناحیه تخلیه در قیاس با دیود تونلی بسیار بزرگ‌تر است. این ناحیه تخلیه بزرگ در دیود معمولی مانند یک سد در مقابل جریان است و با عبور جریان مخالفت می‌کند. برای غلبه بر این مانع، نیاز است ولتاژی به اندازه کافی اعمال کنیم تا جریان در دیود پیوند p-n شروع به گردش کند.

برخلاف دیود معمولی پیوند p-n، عرض ناحیه تخلیه در دیود تونل بسیار نازک است. پس حتی اعمال ولتاژی کوچک نیز برای تولید جریان در این دیود کافی است. دیودهای تونلی می‌توانند برخلاف دیودهای معمولی پیوند p-n، زمان زیادی پایدار بمانند و نیز قادر به عملکرد سریع هستند.

مفهوم تونل‌زنی

در دیود معمولی پیوند p-n، ناحیه تخلیه از یون‌های مثبت و منفی ساخته شده است. به همین دلیل است که در ناحیه تخلیه یک پتانسیل یا میدان الکتریکی وجود دارد.این میدان الکتریکی داخلی یک نیروی الکتریکی در خلاف جهت نیروی حاصل از میدان الکتریکی خارجی (ولتاژ) اعمال می‌کند.

فیلم آموزش آشنایی با فیزیک قطعات نیم رسانا در فرادرس

کلیک کنید

نکته مهم دیگر این است که سطح انرژی در باند هدایت و ظرفیت مربوط به نیمه رسانای نوع n از سطح انرژی در باند هدایت و ظرفیت مربوط به نیمه رسانای نوع p اندکی پایین‌تر هستند. این اختلاف سطح انرژی به دلیل اختلاف در سطح انرژی اتم‌های ناخالصی مورد استفاده برای تشکیل نیمه‌رساناهای نوع n و p است.

جریان الکتریکی در دیود معمولی پیوند p-n

زمانی که یک ولتاژ بایاس به یک دیود معمولی پیوند p-n اعمال می‌شود، از عرض ناحیه تخلیه کاسته شده و در همان حال ارتفاع سد افزایش می‌یابد. اما با این حال هم الکترون‌ها در یک نیمه‌رسانای نوع n نمی‌توانند در ناحیه تخلیه نفوذ کنند، زیرا ولتاژ درونی ناحیه تخلیه با جریان الکترون‌ها مخالفت می‌کند.

اگر ولتاژ اعمالی بزرگ‌تر از ولتاژ درونی ناحیه تخلیه باشد، الکترون‌های سمت n می‌توانند به نیروی حاصل از ناحیه تخلیه غلبه کنند و به سمت p وارد شوند. به عبارت ساده‌تر، اگر انرژی الکترون‌ها از پتانسیل مانع یا ارتفاع آن بیشتر باشد، الکترون‌ها می‌توانند بر مانع غلبه کنند.

بنابراین یک پیوند معمولی p-n تنها زمانی جریان الکتریکی تولید می‌کند که ولتاژ اعمالی بزرگ‌تر از ولتاژ داخلی ناحیه تخلیه باشد.

جریان الکتریکی در دیود تونلی

در دیود تونل سطح انرژی باند هدایت و باند ظرفیت در نیمه‌رسانای نوع n پایین‌تر از سطح انرژی باند هدایت و باند ظرفیت در نیمه‌رسانای نوع p هستند. برخلاف دیود معمولی پیوند p-n، اختلاف سطح انرژی در دیود تونلی بسیار بالا است و به دلیل این اختلاف بزرگ، باند هدایت نیمه‌رسانای نوع n با باند ظرفیت نیمه‌رسانای نوع p هم‌پوشانی دارد.

بر اساس اصول مکانیک کوانتوم، اگر عرض ناحیه تخلیه بسیار باریک باشد، الکترون‌ها مستقیما در ناحیه تخلیه نفوذ خواهند کرد. در دیود تونلی عرض ناحیه تخلیه بسیار باریک و در حد نانومتر است و به همین دلیل الکترون‌ها می‌توانند مستقیما در طول ناحیه تخلیه از باند هدایت نیمه‌رسانای نوع n به باند ظرفیت نیمه‌رسانای نوع p تونل بزنند. در دیودهای معمولی جریان زمانی تولید می‌شود که ولتاژ اعمالی بزرگ‌تر از ولتاژ داخلی ناحیه تخلیه باشد. اما در دیودهای تونلی، ولتاژ کوچکی با مقدار کمتر از ولتاژ داخلی ناحیه تخلیه نیز قادر به تولید جریان خواهد بود.

در دیود تونل، نیازی نیست که الکترون‌ها برای تولید جریان به نیروی مخالف ناحیه تخلیه غلبه کنند، زیرا الکترون‌ها می‌توانند مستقیما از باند هدایت نیمه‌رسانای نوع n به باند ظرفیت نیمه‌رسانای نوع p تونل بزنند و منجر به تولید جریان الکتریکی شوند.

نحوه کار دیود تونل

در این بخش، نحوه کار دیود تونلی را در قالب چند مرحله بیان می‌کنیم.

مرحله اول: دیود تونلی بایاس نشده

زمانی که هیچ ولتاژی به دیود تونل اعمال نشود، دیود در مد بایاس نشده است. در دیود تونلی، به دلیل شدت آلاییدگی، باند هدایت مربوط به نیمه‌رسانای نوع n با باند ظرفیت نیمه‌رسانای نوع p هم‌پوشانی دارد. به دلیل این هم‌پوشانی، الکترون‌های باند هدایت نیمه‌رسانای نوع n و حفره‌ها در نیمه رسانای نوع p تقریبا در یک سطح انرژی هستند. پس زمانی که دما افزایش یابد، تعدادی از الکترون‌ها از باند هدایت نیمه‌رسانای نوع n به باند ظرفیت نیمه‌رسانای نوع p تونل می‌زنند. به طریق مشابه حفره‌های باند ظرفیت نیمه‌رسانای نوع p نیز به باند هدایت نیمه‌رسانای نوع n تونل می‌زنند. با وجود این، مجموع جریان در گردش صفر می‌شود، زیرا تعداد برابری از حامل‌های بار در جهت مخالف یکدیگر به جریان در می‌آیند.

مرحله دوم: اعمال ولتاژ کوچک به دیودهای تونلی

زمانی که یک ولتاژ کوچک کمتر از ولتاژ داخلی ناحیه تخلیه به دیود تونل اعمال شود، هیچ جریان مستقیمی در پیوند هدایت نخواهد شد. اما تعداد کمی از الکترون‌های باند هدایت نیمه‌رسانای نوع n به فضاهای خالی باند ظرفیت نیمه‌رسانای p خواهند رفت و منجر به ایجاد یک جریان تونل بایاس مستقیم کوچک خواهند شد. بنابراین جریان تونل با اعمال یک ولتاژ کوچک به گردش در خواهد آمد.

مرحله سوم: افزایش تدریجی ولتاژ اعمالی

زمانی که ولتاژ اعمالی به دیود تونلی تدریجا افزایش یابد، تعداد زیادی از الکترون‌ها در سمت n و حفره‌ها در سمت p ایجاد خواهند شد. به دلیل افزایش تدریجی ولتاژ، هم‌پوشانی باندهای ظرفیت و هدایت رفته رفته افزایش می‌یابد. به عبارت دیگر، سطح انرژی باند هدایت نیمه‌رسانای نوع n دقیقا با سطح انرژی باند ظرفیت نیمه رسانای نوع p برابر می‌شود. در نتیجه، بیشینه جریان تونل به گردش در می‌آید.

مرحله چهارم: افزایش بیشتر ولتاژ اعمالی

اگر ولتاژ اعمالی بیشتر افزایش یابد، ناهماهنگی جزئی در باند ظرفیت و باند هدایت به وجود خواهد آمد، زیرا باند هدایت نیمه‌رسانای نوع n و باند ظرفیت نیمه رسانای نوع p در آستانه هم‌پوشانی هستند. الکترون‌ها از باند هدایت ناحیه n به باند ظرفیت ناحیه p تونل می‌زنند و منجر به ایجاد یک جریان کوچک می‌شوند. بنابراین جریان تونل شروع به کاهش خواهد کرد.

مرحله پنجم: افزایش شدید ولتاژ اعمالی

اگر ولتاژ اعمالی به شدت افزایش یابد، جریان تونل به صفر خواهد رسید. در این نقطه، باند ظرفیت و باند هدایت دیگر هم‌پوشانی نخواهند داشت و دیود تونلی دقیقا مانند یک دیود معمولی پیوند p-n عمل خواهد کرد. اگر این ولتاژ اعمالی بزرگ‌تر از ولتاژ داخلی ناحیه تخلیه باشد، جریان بایاس مستقیم تنظیم‌ شده از دیود تونلی عبور خواهد کرد.

قسمتی از منحنی که در آن با افزایش ولتاژ جریان کاهش می‌یابد، ناحیه مقاومت منفی در دیود تونلی است. مقاومت منفی مهم‌ترین و پرکاربردترین مشخصه دیودهای تونلی است. یک دیود تونلی در ناحیه مقاومت منفی می‌تواند به عنوان تقویت کننده یا نوسان‌ساز مورد استفاده قرار گیرد.

مزایای دیود تونل

مزایای دیود تونلی را می‌توان به طور خلاصه به صورت زیر بیان کرد:

• طول عمر بالا
• عملکرد سریع
• نویز پایین
• مصرف انرژی پایین

معایب دیودهای تونل

از معایب دیودهای تونلی نیز می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• دیودهای تونلی را نمی‌توان به صورت انبوه تولید کرد.
• به عنوان یک المان دو پایه، خروجی و ورودی دیود از یکدیگر ایزوله نیستند.

کاربردهای دیود تونل

دیودهای تونل، نوعی از دیودهای نیمه‌هادی هستند که بسیار سریع و در بازه فرکانس مایکروویو (Microwave) بوده و نتیجه یک اثر مکانیک کوانتوم (پدیده تونل‌زنی) هستند. این دیودها برای نوسانان‌سازهای سریع و گیرنده‌ها (به دلیل مشخصه مقاومت منفی) بسیار ایده‌آل هستند. اما نمی‌توان از آن‌ها در مدارات مجتمع بزرگ استفاده کرد و به همین دلیل دارای کاربردهای محدودی هستند. تعدادی از کاربردهای این دیودها در ادامه توضیح داده شده است.

فیلم آموزش مدارات دیودی (رایگان) در فرادرس

کلیک کنید

مدارهای نوسان‌ساز

دیودهای تونلی در مدارهای نوسان‌ساز فرکانس بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند، زیرا دارای گذار در هدایت الکتریکی بالای بسیار سریعی هستند. این دیودها می‌توانند برای ساخت نوسان‌سازهای با فرکانس تا 5 گیگاهرتز هم به کار روند. دیودهای تونلی حتی توان ساخت نوسان‌سازهای با فرکانس بالاتر از 100 گیگاهرتز را هم دارند.

این دیودها قادرند مدارهای نوسان‌ساز پایداری را زمانی که به یک مدار تنظیم‌ شده یا حفره (Cavity) بایاس‌ شده در نقطه مرکزی ناحیه مقاومت منفی متصل هستند، ایجاد کنند. شکل زیر مثالی از یک مدار نوسان‌ساز دیود تونلی را نشان می دهد.

مدارهای مایکروویو

ترانزیستورهای دیودی معمولی در کاربردهای مایکروویو به خوبی عمل نخواهند کرد. بنابراین دیودهای تونلی برای مبدل‌های مایکروویو و تقویت کننده‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. این دیودها در امواج مایکروویو و تجهیزات مخابرات ماهواره‌ای به طور گسترده‌ به کار می‌روند. البته امروزه استفاده از این دیودها به سرعت رو به کاهش است، زیرا ترانزیستورها با توانایی کار در فرکانس موج بسیار فراگیر شده‌اند.

مقاوم در برابر تشعشعات هسته‌ای

دیودهای تونلی در برابر تاثیر میدان‌های مغناطیسی، دماهای بالا و تشعشعات هسته‌ای مقاوم هستند. به همین دلیل برای استفاده در تجهیزات نظامی مدرن مناسب هستند. اما مهم‌ترین استفاده این دیودها در تجهیزات مخابرات ماهواره‌ای است.

اگر علاقه‌مند به یادگیری مباحث مشابه مطلب بالا هستید، آموزش‌هایی که در ادامه آمده‌اند نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌ مهندسی الکترونیک
• آموزش الکترونیک 1
• مجموعه آموزش‌های نرم‌افزارهای مهندسی برق و الکترونیک
• آموزش مبانی ​الکترونیک – مفاهیم تئوریک به همراه شبیه سازی عملی و کاربردی
• دیود شاتکی — به زبان ساده
• دیود سیگنال — از صفر تا صد
• دیود زنر — به زبان ساده

^^