高速デバイスが数ミリ秒でタスクを実行できるようにする電子部品がどのように機能するのか疑問に思ったことはありませんか？その答えは、現代の電子機器の最も独特で魅力的な要素の一つ、 トンネルダイオード、としても知られている エサキダイオードこのデバイスは、従来の電子機器ではあまり一般的ではありませんが、高周波および高速アプリケーションで重要な役割を果たす独自の特性を備えています。
この記事では、トンネルダイオードの起源、量子動作、材料、独特の電気的特性、利点と限界、そして現在の応用について深く掘り下げます。また、次のような具体的なモデルについても見ていきます。 1N3716 O·エル 1N3755この小さな部品がなぜ業界に革命をもたらしたのか、そして、その限界にもかかわらず、なぜ最先端のテクノロジーに不可欠なのかを探ってみましょう。
トンネルダイオードまたはエサキダイオードとは何ですか?
El トンネルダイオード、 とも呼ばれている エサキダイオード 1973年にノーベル物理学賞を受賞した発明者、江崎玲於奈にちなんで名付けられたこのダイオードは、 高濃度ドープPN接合 狭い範囲で。この強力なドーピングにより、 トンネル効果これにより、電荷キャリアは、古典法則によればそうすべきでない場合でも、電位障壁を越えることになります。
PN接合部の不純物濃度が著しく低い（約1分の10）標準信号ダイオードと比較して、8）、トンネルダイオードはドーピングを極限レベルまで高め、約 1分の103これにより、 極めて狭い枯渇または貧困地帯これはトンネル効果を発現するための鍵となります。
動作原理：量子トンネル効果
の操作 トンネルダイオード これは量子力学に基づいており、電子は古典的な観点からは電位障壁を越えるのに十分なエネルギーを持っていないにもかかわらず、あたかも「トンネル」をくぐり抜けているかのように電位障壁を通過できるという有限の確率があります。 トンネル確率 障壁が低くなるほど、ダイオードの PN 接合部のドーパントの濃度が高くなるため、障壁は高くなります。
数学的には、粒子が障壁を越える確率Pは、 障壁エネルギー （Eb）彼の アンチョ （W）：
P α exp(-A × Eb × W)
ここで、Aは材料の特性に関連する定数です。重要なのは、トンネルダイオードではこの障壁が非常に薄いため、理論値よりも低いエネルギーでも電子がそれを通過できるということです。
構造と材料：シリコンを超えて
従来のシリコンダイオードとは異なり、 トンネルダイオード これらは通常、 ゲルマニウム, ガリウムヒ素 o アンチモン化ガリウムシリコンを使用しない理由は、上記の材料を用いることで、部品の実用化に不可欠な最大電流（ピーク電流）と最小電流（バレー電流）の比をより良くすることができるためです。通常のPN接合はかなりの厚さの空乏領域を有しますが、トンネルダイオードではこの領域は最大100分の10、約XNUMXナノメートルと狭くなります。
La 不純物の高濃度 PN接合の両側に電荷キャリア（電子と正孔）が大量に存在するため、非常に小さな電位差でもトンネル効果が発揮されやすくなります。その結果、超高速スイッチングに適した極めて高感度なデバイスとなります。
電気特性：負性抵抗とVI曲線
一つ 最も印象的な機能 トンネルダイオードの特徴は、 負性抵抗 電圧-電流（VI）特性曲線の一部に、電流が急激に増加して最大値（ピーク点）に達するが、その後、電圧がさらに上昇すると電流は最小値（谷点）まで減少し、その後、従来のダイオードと同様に再び増加するという現象が見られます。
この現象は、 負の抵抗ゾーンは、高周波発振の生成など、多くのトンネルダイオード応用の基礎となります。その特性曲線は、以下の要点にまとめることができます。
- 初期伝導領域: 直流電圧の増加とともに電流が増加します。
- ピークポイント: 関連する電圧 (Vp) を伴う最大電流 (Ip)。
- 負性抵抗ゾーン: 電圧が増加しても、谷点に達するまで電流は減少します。
- 谷点: 谷電圧 (Vv) での最小電流 (Iv)。
- ここからの動作は、一般的なダイオードと同様になります。
逆バイアスでは、 トンネルダイオード また、トンネル効果のおかげで優れた導電性があり、低電圧でも高い逆電流を流すことができます。
電気記号と等価回路
El 記号論 トンネルダイオードの電気回路図における表現は若干異なる場合がありますが、基本的にはPN接合部を示しており、その特殊な動作を示す特徴的な形状をしています。アノード（P）とカソード（N）は明確に区別されています。
のために 回路解析、以下を含む小信号等価モデルが使用されます。
- A 負性抵抗（-Ro) 負性抵抗領域に関連しています。
- A 直列インダクタンス（Ls) ダイオードの端子間。
- A 接合容量（C）.
この要素の組み合わせは、高周波アプリケーションにおけるトンネルダイオードの動作を反映しており、さまざまな条件下での応答を予測するために不可欠です。
トンネルダイオードの主な用途
彼のせいで 運転状態を急速に変化させる並外れた能力トンネルダイオードは、特に以下の用途に適しています。
- マイクロ波および高周波発振器: 負性抵抗ゾーンを利用して、通信、レーダー、無線システムに不可欠な安定した電気振動を生み出し、維持します。
- 反射増幅器: 従来のトランジスタがうまく動作しない周波数で増幅が必要な構成で使用されます。
- 高速スイッチ: 運転状態と非運転状態の間の移行がほぼ瞬時に行われるためです。
- 周波数変換器順方向バイアスと逆方向バイアスの両方で動作できるため、信号ミキサーで使用できます。
- デジタル回路における論理メモリ: 負の抵抗ゾーンでの安定性は、情報の一時的な保存に使用されます。
高頻度では利点があるものの、 従来の整流には適さない 逆バイアスリーク電流が大きいため、広範囲での使用が制限されます。
トンネルダイオードの長所と短所
El トンネルダイオード 独自の特性があり、考慮すべき長所と短所があります。その利点の中には、 超高速動作速度 y 低ノイズしかし、これには限界もあります。 最大出力が低い および動作電圧の制限。
- 利点:
- 超高速動作速度マイクロ波帯域でのスイッチングおよび信号生成に適しています。
- 製造コストが低い 他の高周波デバイスに比べて構造がシンプルです。
- 低騒音レベル 手術中。
- 優れた環境耐性 堅牢な構造により長寿命を実現。
- デメリット:
- 最大出力が低いそのため、エネルギーを大量に消費するアプリケーションには適していません。
- 制限された電圧出力 出力信号の変動が発生します。
- 入力と出力の間に分離がない 2端子デバイスであること。
- 大規模生産の難しさ 一部の標準アプリケーションにおける制限事項。
モデルと例: トンネルダイオード 1N3716 および 1N3755
歴史的に最もよく使われているモデルの中で トンネルダイオード ハイライト 1N3716 y 1N3755マイクロ波実験室、通信局、プロトタイプ設計などで広く使用されています。どちらも非常に高い動作周波数を許容し、負性抵抗領域でも効果的に応答することを特徴としています。 ショットキーダイオードなどの特定のタイプに関する知識 特定の状況におけるこれらのデバイスの理解を補完することができます。
El 1N3716 トンネルダイオードに典型的な特性曲線を示し、比較的低いピーク電圧と、マイクロ波アプリケーションや高速スイッチングに最適な応答速度を備えています。 1N3755 同様の仕様を備えていますが、動作電圧や電流範囲などの詳細が異なるため、特定の高周波電子機器構成で使用できます。
他のタイプのダイオードとの比較
ダイオードの世界には、信号ダイオード、ツェナーダイオード、ショットキーダイオード、整流ダイオードなど、さまざまな種類があります。 トンネルダイオード 主な違いは次のとおりです。
- 修正には役立たない 逆バイアスリーク電流が高いためです。
- 状態をより速く変更できる ショットキーダイオードやその他の高速ダイオードよりも優れています。
- 地域を表示 非常に顕著な負の抵抗 (一般的なダイオードの残りには存在しません)。
- 必要とする 特定の材料とドーピング 通常のダイオードのシリコンとは異なり、最適に機能します。
これらの特性により、トンネルダイオードは、民生用電子機器での使用は限られているものの、他のデバイスが競合できないニッチな分野に特化しています。
詳細な動作：サイクルVIのフェーズ
その動作を理解するには、特性曲線の各フェーズを分析することが不可欠です。
- 小さな直流電圧を印加することでトンネル効果により電荷キャリアが接合部を通過し、生成される電流は低くなります。
- 緊張が高まるにつれて価電子帯と伝導帯が重なり、ピーク点に達するまで電流が急激に増加します。
- ピーク後バンドの不整合によりトンネル効果が減少し、谷点への電流が減少します。
- 緊張が高まる中、動作は従来の接合に似ており、電流は再び上昇します。
- 逆バイアス下最大逆電圧は通常は低いものの、トンネル効果により依然として大きな電流が流せます。
使用条件と動作制限
El トンネルダイオード 比較的高い直流電圧に耐えることができ、モデルによっては500Vに達するものもありますが、 最大逆電圧（PIV） 通常は低く、最も一般的な例では40V程度です。損傷を避けるために、この制限を念頭に置くことが重要です。
間の関係 ピーク電流 と 谷流 これは、特に負性抵抗領域での安定性と信号振幅が必要な発振器および増幅器のアプリケーションにおいて、適切なモデルを選択するための重要なパラメータです。
トンネルダイオードが使用される日常的な状況
使用が制限されているにもかかわらず、 トンネルダイオード 所在地：
- マイクロ波通信機器。
- 高周波メーター。
- 電子物理学研究室の信号源。
- ナノ秒単位の応答を必要とするレーダー システム。
新しいテクノロジーと素材が導入されたにもかかわらず、そのスピードと信頼性により、特定の専門分野では依然として重要性が保たれています。
