ไดโอดอุโมงค์คืออะไร?

ไดโอดอุโมงค์ (หรือที่รู้จักกันในชื่อไดโอดเอซากิ ) เป็น ไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ชนิดหนึ่งที่มี " ความต้านทาน เชิงลบ " อย่างมีประสิทธิภาพเนื่องจากปรากฏการณ์ทางกลศาสตร์ควอนตัมที่เรียกว่าการอุโมงค์ ไดโอดอุโมงค์มีรอยต่อ pn ที่มีการเจือสารอย่างหนาแน่น ซึ่งมีความกว้างประมาณ 10 นาโนเมตร การเจือสารอย่างหนาแน่นส่งผลให้ช่องว่างแถบพลังงานถูกทำลาย โดยที่สถานะอิเล็กตรอนในแถบนำไฟฟ้าด้าน N จะเรียงตัวกันโดยประมาณกับสถานะโฮลในแถบวาเลนซ์ด้าน P

ทรานซิสเตอร์มีปัญหาในการทำงานที่ความถี่สูงมากเนื่องจากเวลาในการเคลื่อนที่และผลกระทบอื่นๆ อุปกรณ์หลายชนิดใช้ คุณสมบัติ การนำไฟฟ้า เชิงลบ ของสารกึ่ง ตัวนำ สำหรับการใช้งานที่ความถี่สูง ไดโอดอุโมงค์ หรือที่รู้จักกันในชื่อไดโอดเอซากิ เป็นอุปกรณ์นำไฟฟ้าเชิงลบที่ใช้กันทั่วไป ซึ่งตั้งชื่อตาม แอล. เอซากิ จากผลงานของเขาเกี่ยวกับการทะลุผ่านอุโมงค์

ความเข้มข้นของสารเจือปนในทั้งบริเวณ p และ n นั้นสูงมาก อยู่ที่ประมาณ 10²⁴ ^– 10²⁵ ^m⁻³นอกจาก^นี้รอยต่อ pn ยังมีความคมชัดสูง ด้วยเหตุนี้ ความกว้างของชั้นพร่องประจุจึงมีขนาดเล็กมาก ในลักษณะเฉพาะของกระแสและแรงดันของไดโอดอุโมงค์เราสามารถพบช่วงที่มีความชันเป็นลบเมื่อมีการให้ไบแอสไปข้างหน้า

ชื่อ "ไดโอดอุโมงค์" มาจากปรากฏการณ์การทะลุผ่านทางกลศาสตร์ควอนตัมซึ่งเป็นสาเหตุของปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นภายในไดโอด การเจือสารในระดับสูงมากทำให้ที่อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ ระดับเฟอร์มิจะอยู่ภายในช่วงไบแอสของสารกึ่งตัวนำ

ลักษณะเฉพาะของไดโอดอุโมงค์

เมื่อมีการให้ไบแอสย้อนกลับ ระดับเฟอร์มิของด้าน p จะสูงกว่าด้าน n ทำให้เกิดการทะลุผ่านของอิเล็กตรอนจากแถบวาเลนซ์ของด้าน p ไปยังแถบนำไฟฟ้าของด้าน n และเมื่อไบแอสย้อนกลับเพิ่มขึ้นกระแส การทะลุผ่าน ก็จะเพิ่มขึ้นด้วย

เมื่อมีการให้ไบแอสไปข้างหน้า ระดับเฟอร์มิของด้าน n จะสูงกว่าระดับเฟอร์มิของด้าน p ดังนั้นจึงเกิดการทะลุผ่านของอิเล็กตรอนจากด้าน n ไปยังด้าน p ปริมาณกระแสทะลุผ่านมีขนาดใหญ่กว่ากระแสรอยต่อปกติมาก เมื่อเพิ่มไบแอสไปข้างหน้า กระแสทะลุผ่านก็จะเพิ่มขึ้นจนถึงขีดจำกัดหนึ่ง

เมื่อขอบแถบพลังงานด้าน n เท่ากับระดับเฟอร์มิในด้าน p กระแสอุโมงค์จะมีค่าสูงสุด และเมื่อเพิ่มแรงดันไบแอสไปข้างหน้ามากขึ้น กระแสอุโมงค์จะลดลง ทำให้ได้บริเวณการนำไฟฟ้าลบตามที่ต้องการ เมื่อเพิ่มแรงดันไบแอสไปข้างหน้ามากขึ้น จะได้กระแสของรอยต่อ pn ปกติ ซึ่งแปรผันตรงกับแรงดัน ที่ใช้ในลักษณะเลขชี้กำลัง ลักษณะเฉพาะ VI ของไดโอดอุโมงค์แสดงไว้ดังนี้

ความต้านทานเชิงลบใช้เพื่อทำให้เกิดการสั่น และโดยทั่วไปแล้วฟังก์ชัน Ck+ จะมีความถี่สูงมาก

สัญลักษณ์ไดโอดอุโมงค์

สัญลักษณ์ของไดโอดอุโมงค์แสดงอยู่ด้านล่าง

การใช้งานไดโอดอุโมงค์

ไดโอดอุโมงค์เป็นไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ชนิดหนึ่งที่สามารถทำงานได้อย่างรวดเร็วมากในช่วงความถี่ไมโครเวฟเนื่องจากปรากฏการณ์อุโมงค์ทางกลศาสตร์ควอนตัม เหมาะอย่างยิ่งสำหรับวงจร oscillatorsและ receivers ที่ทำงานเร็วเนื่องจากมีลักษณะความชันเป็นลบ อย่างไรก็ตาม ไม่สามารถใช้ในวงจรรวม ขนาดใหญ่ได้ ซึ่งจำกัดการใช้งานของมัน

เมื่อเริ่มจ่ายแรงดันไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าจะเริ่มไหลผ่าน และกระแสไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้า เมื่อแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้นมากพอ กระแสไฟฟ้าก็จะเริ่มเพิ่มขึ้นอีกครั้งอย่างฉับพลัน และไดโอดอุโมงค์ก็จะเริ่มทำงานเหมือนไดโอดทั่วไป เนื่องจากพฤติกรรมที่ผิดปกตินี้ จึงสามารถนำไปใช้ในงานเฉพาะทางหลายอย่างที่กล่าวถึงด้านล่าง

วงจร Oscillator:
ไดโอดอุโมงค์สามารถใช้เป็น Oscillator ความถี่สูงได้ เนื่องจากการเปลี่ยนผ่านระหว่างค่าการนำไฟฟ้า สูง นั้นรวดเร็วมาก สามารถใช้สร้างการสั่นได้สูงถึง 5 GHz และยังสามารถสร้างการสั่นได้สูงถึง 100 GHz ในวงจรดิจิทัลที่เหมาะสมอีกด้วย

ใช้ในวงจรไมโครเวฟ:
ไดโอดและทรานซิสเตอร์ทั่วไปทำงานได้ไม่ดีในย่านความถี่ไมโครเวฟ ดังนั้นจึงใช้ไดโอดอุโมงค์ในเครื่องกำเนิดและขยายสัญญาณไมโครเวฟ ในอดีตมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์สื่อสารไมโครเวฟและดาวเทียม แต่การใช้งานกำลังลดลงเนื่องจากมีทรานซิสเตอร์ที่สามารถทำงานในช่วงความถี่นี้ได้ดีขึ้น

ทนทานต่อรังสีนิวเคลียร์:
ไดโอดอุโมงค์ทนทานต่อผลกระทบของสนามแม่เหล็กอุณหภูมิสูง และกัมมันตภาพรังสี นั่นเป็นเหตุผลที่สามารถนำไปใช้ในอุปกรณ์ทางทหารสมัยใหม่ได้ นอกจากนี้ยังใช้ในเครื่องจักรที่ใช้ทรัพยากรแม่เหล็กนิวเคลียร์ด้วย แต่ที่สำคัญที่สุดคือการใช้งานในอุปกรณ์สื่อสารผ่านดาวเทียม

ออสซิลเลเตอร์ไดโอดอุโมงค์

ไดโอดอุโมงค์สามารถสร้างวงจร oscillator ที่เสถียรมากได้ เมื่อต่อเข้ากับวงจรปรับความถี่หรือโพรงเรโซแนนซ์ โดยไบแอสที่จุดกึ่งกลางของบริเวณความต้านทานลบ นี่คือตัวอย่างของวงจร oscillator ของไดโอดอุโมงค์ ไดโอด

อุโมงค์ต่อแบบหลวมๆ กับโพรงเรโซแนนซ์ที่ปรับได้ โดยการใช้โพรบป้อนสัญญาณเสาอากาศสั้นๆ วางไว้ในโพรงเรโซแนนซ์แบบไม่ตรงกลาง เพื่อให้ได้การต่อแบบหลวมๆ การใช้การต่อแบบหลวมๆ ช่วยเพิ่มความเสถียรของการสั่นและให้กำลังเอาต์พุตในช่วงความถี่ที่กว้างขึ้น ช่วงของกำลังเอาต์พุตที่ผลิตได้นั้นอยู่ในช่วงไม่กี่ร้อยไมโครวัตต์

วิธีนี้มีประโยชน์สำหรับการใช้งานไมโครเวฟหลายอย่าง ตำแหน่งทางกายภาพของตัวปรับความถี่จะเป็นตัวกำหนดความถี่ในการทำงาน หากความถี่ในการทำงานถูกเปลี่ยนแปลงด้วยวิธีนี้ จะเรียกว่าการปรับความถี่เชิงกล ออสซิลเลเตอร์ไดโอดอุโมงค์สามารถปรับความถี่ได้ด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์เช่นกัน

ออสซิลเลเตอร์ไดโอดอุโมงค์ ซึ่งออกแบบมาเพื่อใช้งานที่ความถี่ไมโครเวฟ โดยทั่วไปจะใช้สายส่งสัญญาณ แบบต่างๆ เป็นวงจรอุโมงค์ ออสซิลเลเตอร์เหล่านี้มีประโยชน์ในการใช้งานที่ต้องการกำลังไฟเพียงไม่กี่มิลลิวัตต์ เช่น ออสซิลเลเตอร์ภายในสำหรับเครื่องรับไมโครเวฟแบบซูเปอร์อิเล็กโทรไดน์