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Umfassender Leitfaden zu Tunneldioden
Es gibt verschiedene Diodentypen, die jeweils für unterschiedliche Zwecke in Schaltungsanwendungen konzipiert sind; z. B. werden Gleichrichterdioden zur Umwandlung von Wechselstromnetzspannung in Gleichstrom verwendet, und TVS-Dioden dienen dem Überspannungs- und ESD-Schutz.
Herkömmliche Dioden weisen normalerweise einen positiven Widerstand auf, wenn sie in Vorwärtsrichtung vorgespannt sind (d. h. der Strom, der durch einen Stromkreis fließt, nimmt zu, wenn die Spannung erhöht wird). Eine Tunneldiode hingegen weist zwischen zwei Werten der Vorwärtsspannung einen negativen Widerstand auf; anders ausgedrückt, der Strom nimmt in bestimmten Bereichen in Vorwärtsrichtung ab, wenn die Spannung erhöht wird. Dies macht die Tunneldiode zu einer bevorzugten Wahl in Anwendungen wie Hochgeschwindigkeits-Schaltkreisen.
In diesem Artikel werden wir die wesentlichen Details und die Funktionsweise sowie die Anwendungen von Tunneldioden erläutern und Ihnen somit das grundlegende Wissen vermitteln, das Sie als Ingenieur beim Entwerfen von Systemen mit Tunneldioden benötigen, oder Sie als begeisterten Elektronikler auf Ihrem ersten Schritt beim Erlernen von deren Eigenschaften bilden.
Lassen Sie uns direkt zur Sache kommen.
Was ist eine Tunneldiode
Eine Tunneldiode, auch Esaki-Diode genannt, ist eine Halbleiter-PN-Übergangdiode, die zwischen zwei Werten der Vorwärtsspannung, d.h. zwischen der Spitzenspannung und der Talfensterspannung, einen negativen Widerstand aufweist.
Eine typische Halbleiterdiode weist normalerweise einen positiven Widerstand auf, wenn sie in Durchlassrichtung betrieben wird. Wenn jedoch eine Halbleiter-Übergangsdioden stark mit Verunreinigungen dotiert ist, weist sie in bestimmten Bereichen in Vorwärtsrichtung einen negativen Widerstand auf (d. h. der Strom nimmt mit steigender Spannung ab) – dies ist ein charakteristisches Schlüsselmerkmal einer Tunneldiode.
Diese einzigartige Eigenschaft von Tunneldioden, die auf dem Quantentunneln beruht, macht sie besonders wertvoll in Mikrowellen- und Hochfrequenzanwendungen, wo sie als Verstärker, Oszillator und Hochgeschwindigkeits-Schalter fungieren können.
Wie funktioniert eine Tunneldiode
Im Wesentlichen ist die Tunnell-Diode immer noch ein P-N-Übergang, jedoch mit einer starken Dotierung von Halbleitermaterialien vom P-Typ und vom N-Typ. Tatsächlich ist eine Tunnell-Diode etwa 1000-mal stärker dotiert als eine herkömmliche Diode.
Die starke Dotierung in einer Tunneldiode führt zu einer großen Anzahl von Majoritätsträgern. Aufgrund der großen Trägerzahl werden die meisten während der anfänglichen Rekombination, die die Verarmungszone erzeugt, nicht verbraucht. Folglich ist die Verarmungszone sehr schmal.
Diese sehr schmale Verarmungszone ermöglicht den Tunneleffekt. Tunneln kann als die Bewegung von Valenzelektronen aus dem Valenzenergieband in das Leitungsband bei geringer oder keiner angelegter Flussvorspannung definiert werden. Mit anderen Worten, wir können sagen, dass die Valenzelektronen scheinbar durch das verbotene Energieband tunneln.
Da die Verarmungszone extrem schmal ist, ist nur eine sehr geringe angelegte Sperrspannung erforderlich, um eine Leitfähigkeit zu bewirken. Wenn die Sperrspannung durch einen bestimmten Bereich ansteigt, nimmt der Tunnelstrom zunächst zu und dann ab, wodurch der Bereich des negativen differentiellen Widerstands entsteht, der die Tunneldiode von gewöhnlichen Dioden unterscheidet.
Tunneldiode Strom-Spannungs-Kennlinie
Bei Anlegen einer kleinen positiven Vorspannung an eine Tunneldiode beginnt diese, Strom zu leiten. Mit zunehmender Spannung steigt der Strom und erreicht einen Spitzenwert, den Spitzenstrom (IP = 2,2 mA), bei einer Spannung nahe dem Spitzenpunkt VP (=0,07 V). Bis zu diesem Punkt weist die Diode einen positiven Widerstand auf.
Wenn die Spannung auch nur ein wenig weiter, über VP hinaus, erhöht wird, beginnt der Strom tatsächlich abzunehmen, bis er einen Tiefpunkt erreicht, der als Talstrom (IV = 0,3 mA) bezeichnet wird, und bei der Talschwingungsspannung (Vv = 0,7 V).
In der Region zwischen dem Spitzenpunkt und dem Taltpunkt, das heißt, zwischen den Punkten P und V, weist die Diode einen negativen Widerstand auf, d. h., mit steigender Vorwärtsvorspannung nimmt der Strom ab. Dies legt nahe, dass die Tunneldiode, wenn sie im Bereich des negativen Widerstands betrieben wird, als Oszillator oder Schalter verwendet werden kann.
Wenn die Spannung weiter über VV = 0,7 V hinaus erhöht wird, beginnt der Strom erneut anzusteigen, diesmal ohne ein weiteres ‘Tal’ zu durchlaufen; mit anderen Worten, ab Punkt V verhält sich die Tunneldiode wie eine normale Diode, d. h. die Diode weist wieder einen positiven Widerstand auf.
Beachten Sie, dass die Tunneldiode normalerweise einen hohen Sperrstrom aufweist, dessen Betrieb unter dieser Bedingung jedoch normalerweise nicht genutzt wird.
Die Spannungen, die notwendig sind, um eine Tunneltriode zu ihrem Spitzen- und Talstrom zu treiben, werden als Spitzen-Spannung VP und Tal-Spannung VV bezeichnet. Die Region auf dem Graphen, in der der Strom sinkt, während die angelegte Spannung steigt, also zwischen VP und VV auf der horizontalen Skala, wird als Bereich des negativen Widerstands bezeichnet.
Tunneldioden können sehr schnell zwischen Spitzen- und Talfeldstromniveaus wechseln und schalten zwischen hohen und niedrigen Leitfähigkeitszuständen wesentlich schneller als selbst Schottky-Dioden. Die Kenndaten von Tunneldioden sind zudem relativ unbeeinflusst von Temperaturschwankungen.
Tunneldioden sind sowohl in den P- als auch in den N-Bereichen stark dotiert, das 1000-fache im Vergleich zu einer herkömmlichen Gleichrichterdiode. Dies ist in der nachstehenden Abbildung dargestellt:
Bezüglich der obigen Abbildung können Sie die Sperrdurchbruchspannungen in Abhängigkeit von verschiedenen Dotierungskonzentrationen für Standarddioden, Zener-Dioden und Tunneldioden beobachten. Die Standarddioden befinden sich ganz links, die Zener-Dioden nahe links und die Tunneldioden rechts von der gestrichelten Linie.
Die starke Dotierung erzeugt eine ungewöhnlich dünne Verarmungszone. Dies wiederum führt zu einer unüblich niedrigen Sperrdurchbruchspannung bei hohem Leckstrom. Die dünne Verarmungszone verursacht eine hohe Kapazität. Um dies zu überwinden, muss die Fläche des Tunneldiodenübergangs winzig sein.
Die Vorwärtskennlinie einer Diode besteht aus zwei Bereichen: einer normalen Vorwärtskennlinie, bei der der Strom über VF von 0,3 V für Germanium und 0,7 V für Silizium-Halbleitermaterialien exponentiell ansteigt.
In Bezug auf die obige Abbildung: Zwischen 0 und VF befindet sich ein Spitzenwert im ‘negativen Widerstand’. Dieses Phänomen beruht auf dem quantenmechanischen Tunneln, das die Dualität der Teilchen-Welle-Natur von Elektronen beinhaltet.
Bei Tunneldioden ist die Verarmungszone dünn genug im Vergleich zur äquivalenten Wellenlänge des Elektrons, sodass diese tunnellieren können. Daher müssen Tunneldioden keine Überspannung gegenüber der normalen Vorwärtskennlinie VF aufweisen.
Der negative Teil der Kurve lässt sich wie folgt erklären:
Das Energieniveau des Leitungsbandes des n-leitenden Halbleitermaterials überlappt das Niveau des Valenzbandes im p-leitenden Halbleiterbereich. Mit steigender Spannung beginnt der Tunneleffekt; die Niveaus überlappen sich und der Strom nimmt zu, bis zu einem gewissen Punkt. Mit weiter steigendem Strom überlappen sich die Energieniveaus weniger; der Strom nimmt mit steigender Spannung ab. Dies ist der Abschnitt des Kennlinienverlaufs mit ‘negativem Widerstand’.
Anwendungen von Tunneldioden
Anwendungsbereiche von Tunneldioden umfassen:
- Hochfrequenzoszillatoren und -verstärker aufgrund ihrer sehr schnellen Tunnelverschiebung.
- Mikrowellen- und Terahertz-Generatoren.
- Hochgeschwindigkeits-Schalt-, Speicher- und Logikelemente in Nischen- und Legacy-Designs.
- Frequenzumrichter und Mischer.
Beachten Sie, dass Tunneldioden keine gute Wahl als Gleichrichterdioden sind, da sie bei Sperrvorspannung einen relativ hohen Leckstrom aufweisen. Folglich finden sie nur in Spezialschaltungen Anwendung, bei denen ihr einzigartiger Tunnel-Effekt von Wert ist.
Um den Tunneleffekt optimal zu nutzen, werden diese Dioden mit einer Vorspannung zwischen dem Spitzen- und dem Talfrequenzspannungspegel betrieben, stets in Vorwärtsrichtung (Anode positiv und Kathode negativ).
Die vielleicht gebräuchlichste Anwendung einer Tunneldiode sind einfache Hochfrequenz-Oszillatorschaltungen, bei denen sie eine Gleichspannungsquelle ermöglicht, Leistung in einen Schwingkreis einzuspeisen. Die Diode leitet, wenn die an ihr anliegende Spannung den Spitzenwert (Tunnelpunkt) erreicht und bei allen anderen Spannungen effektiv isoliert. Die Widerstände polarisieren die Tunneldiode bei wenigen Zehntel Volt, zentriert auf dem negativen Kennlinienbereich. Der Schwingkreis/LC-Kreis kann für den Mikrowellenbetrieb ein Hohlleiterabschnitt sein. Eine Oszillation bis 5 GHz ist möglich.
Illustration einer Tunneldioden-Oszillator-Anwendung
Eine Tunneldiode wird immer im negativen Widerstandsbereich betrieben. Wenn sie in diesem Bereich betrieben wird, funktioniert sie sehr gut als Schwingungserzeuger.
Betrachten wir hierfür die unten abgebildete Schwingungsschaltung:
Beachten Sie, dass RP dem Reihenwiderstand der Spule äquivalent ist.
Wenn der Schwingkreis durch Anlegen einer Spannung, wie in der unten gezeigten Schaltung dargestellt, in Schwingungen versetzt wird, entstehen gedämpfte Schwingungen. Dies liegt daran, dass Energie im Widerstand RP des Schwingkreises verloren geht.
Werden wir eine Tunneldiode in Reihe mit dem Schwingkreis schalten und im Zentrum des negativen Widerstandsabschnitts ihrer Kennlinie, wie in der untenstehenden Schaltung gezeigt, vorspannen, so werden am Ausgang ungedämpfte Schwingungen erzeugt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die negative Widerstandskennlinie der Tunneldiode der positiven Widerstandskennlinie des Schwingkreises entgegenwirkt.
Der obige Stromkreis wird als Tunneldiodenoszillator oder Negativwiderstandososzillator bezeichnet.
Der Negativwiderstand-Oszillator hat einen entscheidenden Nachteil: Während die Schaltung bei extrem hohen Frequenzen (im oberen Megahertzbereich) sehr gut funktioniert, kann sie bei niedrigen Frequenzen nicht effizient eingesetzt werden. Typischerweise werden für Niederfrequenzoszillatoren Transistoren verwendet.
Vorteile und Nachteile von Tunneldioden
Tunneldioden werden in einigen Anwendungen bevorzugt, da:
- Sie schalten extrem schnell (d. h. unter Nanosekunden) aufgrund von Tunneln (keine Laufzeitverzögerung der Ladungsträger).
Tunneldioden sind in mehrfacher Hinsicht begrenzt:
- Sie arbeiten bei sehr niedrigen Spannungen.
- Sie haben eine begrenzte Ausgangsleistung und geringe Signalpegel.
- Sie stehen vor Herausforderungen bei der Reproduzierbarkeit der Fertigung – sie wurden in vielen Bereichen weitgehend durch moderne Halbleiterbauelemente ersetzt; dennoch können sie in spezialisierten Hochgeschwindigkeits- oder Mikrowellenanwendungen weiterhin im Einsatz sein.
- Die Konkurrenz durch fortschrittliche CMOS-, III-V-HEMT-, Graphen- und plasmonische THz-Geräte sowie supraleitende Schaltungen für einige kryogene Anwendungen lässt es unwahrscheinlich erscheinen, dass Tunneldioden Mainstream-Transistoren ersetzen werden.
Was ist die Zukunft von Tunneldioden?
Tunneldioden (sowohl Resonanztunneldioden als auch neuere Varianten wie asymmetrische Raumtunnel-Dioden [ASPAT] – eine Variante von Tunnel-/Esaki-Dioden, die so konstruiert sind, dass sie bei hohen Frequenzen eine nützliche Gleichrichtung oder Detektion ermöglichen, während sie gleichzeitig den Gleichspannungs-Offset minimieren und die Ansprechgeschwindigkeit verbessern) werden voraussichtlich als unverzichtbare Komponenten für Ultrahochfrequenz- und Quanten-/kryogene Elektronik Nischenanwendungen bleiben, anstatt in die Mainstream-CMOS-Logik zurückzukehren.
Hier sind die Gründe, warum Tunneldioden Bestand haben werden:
- Ihre Stärken machen sie nicht leicht ersetzbar in spezifischen Anwendungen: Tunneldioden weisen extrem schnelles Quantentunneln als Schaltmechanismus und intrinsischen negativen differentiellen Widerstand auf (was für Oszillatoren, Mischer und Detektoren nützlich ist), zusätzlich ihre gute Leistung im Mikrowellen- bis THz-Frequenzbereich und ihr Einsatz bei kryogenen Temperaturen für das Quantum-Readout.
- Es gibt aktive Forschungsrichtungen für Tunneldioden: III-V-Heterostrukturen (InGaAs/AIAs RTDs), asymmetrische Raumfahrtgeräte (ASPAT/QASPAT) für Detektoren/Oszillatoren im THz-Bereich, siliziumkompatible Tunnelansätze für die Integration bei geringem Stromverbrauch und Geräte-/Schaltungs-Co-Design für verbesserte PVCR und Ausgangsleistung.
Die kurzfristige Aussicht, d.h. 5 Jahre, für Tunnel erscheint positiv, vor allem getragen von:
- Wachstum bei spezialisierten THz-Quellen, Detektoren und ultraschnellen analogen Komponenten für Kommunikation, Sensorik und Bildgebung.
- Es gibt eine stärkere Integration mit III-V-Photonik und heterogenen Siliziumprozessen für Nischen-On-Chip-Funktionen wie die Taktgebung.
Der längerfristige Ausblick (10+ Jahre) für Tunneldioden ist ebenfalls vielversprechend, da es eine fortlaufende Nischenanwendung in der Terahertz (THz)-Elektronik, der kryogenen klassischen/Quantensteuerung und ultraschnellen Mixed-Signal-Blöcken gibt, wo ihre extreme Geschwindigkeit oder ihr negativer differentieller Widerstand (NDR) in ihren Strom-Spannungs-Kennlinien einzigartig wertvoll ist.
Darüber hinaus hängt ihre breitere Nutzung von Durchbrüchen bei der Steigerung des PVCR (Peak-to-Valley-Stromverhältnisses) und der Ausgangsleistung ab oder von einer Verlagerung der Anwendungsbereiche, beispielsweise hin zu drahtloser THz-Übertragung, fortschrittlicher Bildgebung oder der Miniaturisierung kryogener Elektronik.
Ein höherer PVCR-Wert (= Ip/IV) verbessert die Stabilitätsverstärkung des Oszillators in Verstärkern mit negativem Differenzwiderstand (NDR), die Schaltreserve bei Logik- und Speicheranwendungen sowie die Linearität des Detektors; ein niedriger PVCR-Wert schränkt die Ausgangsleistung und die Schaltungsleistung ein. Für praktische RTD/ASPAT-Anwendungen sind PVCR-Werte in der Größenordnung von (z. B. 3–10+) sehr wünschenswert; die Forschung zielt darauf ab, den PVCR zu erhöhen und dabei einen niedrigen VP sowie einen ausreichenden IP beizubehalten.
Abschließende Gedanken
Eine Tunneldiode ist zwar ein kleines Bauteil, verdeutlicht jedoch, inwieweit die Leistung einer Schaltung von der Auswahl des richtigen Halbleiterbauteils abhängt. In der Praxis des elektronischen Entwurfs und der Fertigung ist das Verständnis der Funktionsweise eines Bauteils nur der erste Schritt. Ingenieure müssen zudem die Verfügbarkeit, Gehäuseoptionen, gleichwertige Bauteile, die langfristige Lieferbarkeit sowie die Frage berücksichtigen, ob das ausgewählte Bauteil für die Prototypen- und Serienfertigung zuverlässig beschafft werden kann.
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Häufig gestellte Fragen
Wenn die Haupt-BGA, der Speicher oder die High-Density-Schnittstelle mit herkömmlichen Durchgangslöchern nicht sauber geroutet werden können. Wenn das Escape-Routing zusätzliche Lagen, eine größere Platinengröße oder riskante Leiterbahngeometrien erzwingt, sollte HDI frühzeitig geprüft werden.
Der Pilotlauf bestätigte, ob die gesamte Fertigungskette das Design unterstützen konnte, nicht nur, ob ein einzelnes Muster gefertigt werden konnte. Er lieferte dem Kunden reale Ausbeute- und Lieferdaten, bevor er sich zur monatlichen Produktion verpflichtete.
Herr John ist ein erfahrener Spezialist für elektrische Systeme, Messtechnik, Prozessautomatisierung und industrielle Steuerungstechnik. Er war bereits in den Bereichen Anlageninstallation, Wartung, Werksabnahme und Inbetriebnahme tätig, wodurch er praktische Einblicke in die Funktionsweise industrieller Systeme unter realen Betriebsbedingungen gewonnen hat.
