Blog
Guide complet des diodes tunnel
Il existe différents types de diodes, chacune conçue pour accomplir des fonctions différentes dans les applications de circuits ; par exemple, les diodes redresseuses sont utilisées pour convertir la tension du secteur AC en DC et les diodes TVS sont utilisées pour la protection contre les surtensions et les décharges électrostatiques.
Les diodes conventionnelles présentent généralement une résistance positive lorsqu'elles sont polarisées en direct (c'est-à-dire que le courant circulant dans un circuit augmente à mesure que la tension est augmentée). En revanche, une diode tunnel présente une résistance négative entre deux valeurs de tension directe ; en d'autres termes, le courant diminue à mesure que la tension est augmentée dans certaines régions dans le sens direct. Cela fait de la diode tunnel un choix privilégié dans des applications telles que les circuits de commutation à haute vitesse.
Dans cet article, nous expliquerons les principaux détails et le fonctionnement ainsi que les applications des diodes tunnel, en vous fournissant les connaissances fondamentales dont vous avez besoin en tant qu'ingénieur concevant des systèmes intégrant des diodes tunnel ou en vous formant en tant qu'apprenant enthousiaste en électronique qui débute dans leur étude.
Allons droit au but.
Qu'est-ce qu'une diode tunnel
Une diode tunnel, également appelée diode Esaki, est une diode à jonction p-n à semi-conducteur qui présente une résistance négative entre deux valeurs de tension directe, c'est-à-dire entre la tension du point de crête et la tension du point de vallée.
Une diode à semi-conducteur typique présente généralement une résistance positive lorsqu'elle est polarisée en sens direct, mais si une diode à jonction à semi-conducteur est fortement dopée avec des impuretés, elle présente une résistance négative (c'est-à-dire que le courant diminue lorsque la tension augmente) dans certaines régions dans le sens direct – c'est une caractéristique essentielle d'une diode tunnel.
Cette propriété unique des diodes tunnel découle de l'effet tunnel quantique et rend les diodes tunnel particulièrement précieuses dans les applications micro-ondes et à haute fréquence où elles peuvent agir comme amplificateurs, oscillateurs et commutateurs à haute vitesse.
Comment fonctionne une diode tunnel
Essentiellement, la diode tunnel est une jonction p-n, mais avec un dopage intensif des matériaux semi-conducteurs de type p et de type n. En fait, une diode tunnel est dopée environ 1000 fois plus que ne l'est une diode conventionnelle.
Le fort dopage d'une diode tunnel génère un grand nombre de porteurs majoritaires. En raison de leur grand nombre, la plupart ne sont pas utilisés lors de la recombinaison initiale qui produit la région de déplétion. Par conséquent, la région de déplétion est très étroite.
Cette zone de déplétion très étroite est ce qui rend l'effet tunnel possible. L'effet tunnel peut être défini comme le déplacement des électrons de valence de la bande d'énergie de valence vers la bande de conduction avec une tension directe appliquée faible ou nulle. En d'autres termes, on peut dire que les électrons de valence semblent traverser la bande d'énergie interdite par effet tunnel.
Parce que la couche de déplétion est extrêmement mince, une très faible tension directe appliquée suffit à provoquer la conduction. Lorsque la tension directe augmente dans une certaine plage, le courant de tunnel augmente d'abord puis diminue, formant la région de résistance négative qui distingue la diode tunnel des diodes ordinaires.
Caractéristiques courant-tension de la diode à effet tunnel
Lorsqu'une petite tension de polarisation directe est appliquée à une diode tunnel, celle-ci commence à conduire un courant. Lorsque la tension est augmentée, le courant croît et atteint une valeur maximale appelée courant de crête (IP = 2,2 mA) à une tension de crête VP (≈ 0,07 V). Jusqu'à ce point, la diode a présenté une résistance positive.
Si la tension est augmentée un peu plus, au-delà de VP, le courant commence en réalité à diminuer jusqu'à atteindre un point bas appelé courant de vallée (IV = 0,3 mA) et où la tension de vallée (Vv = 0,7 V).
Dans la région comprise entre le point de pic et le point de vallée, c'est-à-dire entre les points P et V, la diode présente une résistance négative, c'est-à-dire qu'à mesure que la tension de polarisation directe augmente, le courant diminue. Ceci suggère que la diode tunnel, si elle est utilisée dans la région de résistance négative, peut servir d'oscillateur ou de commutateur.
Si la tension est augmentée davantage au-delà de VV = 0,7 V, le courant recommence à augmenter, cette fois sans diminuer vers une autre ‘vallée’ ; en d'autres termes, à partir du point V, la diode tunnel se comporte comme une diode normale, c'est-à-dire que la diode présente à nouveau une résistance positive.
Il est à noter que la diode tunnel présente généralement un courant inverse élevé, mais son fonctionnement dans ces conditions n'est généralement pas utilisé.
Les tensions directes nécessaires pour amener une diode tunnel à ses courants de crête et de vallée sont respectivement appelées tension de crête VP et tension de vallée VV. La région du graphique où le courant diminue tandis que la tension appliquée augmente, c'est-à-dire entre VP et VV sur l'échelle horizontale, est connue sous le nom de région de résistance négative.
Les diodes tunnel sont capables de passer très rapidement des niveaux de courant de pic à de courant de vallée, basculant entre des états de conduction élevés et bas beaucoup plus rapidement que même les diodes Schottky. Les caractéristiques des diodes tunnel sont également relativement peu affectées par les changements de température.
Les diodes tunnel sont fortement dopées dans les régions P et N, avec une concentration mille fois supérieure à celle d'une diode redresseuse conventionnelle. Ceci est illustré dans la figure ci-dessous :
En référence à la figure ci-dessus, vous pouvez observer les tensions de claquage inverses en fonction des différents niveaux de concentration de dopage pour les diodes standard, les diodes Zener et les diodes tunnel. Les diodes standard se trouvent tout à gauche, la diode Zener près de la gauche, et les diodes tunnel à droite de la ligne pointillée.
Le dopage important produit une région de déplétion étrangement mince. Ceci, à son tour, produit une tension de claquage inverse inhabituellement basse avec des fuites élevées. La région de déplétion mince provoque une capacité élevée. Pour surmonter cela, la zone de jonction de la diode tunnel doit être minuscule.
Les caractéristiques d'une diode en conduction directe consistent en deux régions : une caractéristique de diode en conduction directe normale avec un courant augmentant exponentiellement au-delà de VF, 0,3 V pour les matériaux semi-conducteurs en germanium et 0,7 V pour le silicium.
En référence à la figure ci-dessus : entre 0 et VF se trouve un pic de caractéristique de ‘ résistance négative ’. Cette occurrence est due à l'effet tunnel quantique impliquant la double nature ondulatoire et corpusculaire des électrons.
Dans les diodes tunnel, la région de déplétion est suffisamment mince par rapport à la longueur d'onde équivalente de l'électron pour qu'ils puissent la traverser par effet tunnel. Ainsi, les diodes tunnel n'ont pas à dépasser la tension directe normale VF de la diode.
La partie négative de la courbe peut s'expliquer comme suit :
Le niveau d'énergie de la bande de conduction du matériau semi-conducteur de type n chevauche le niveau de la bande de valence dans la région du semi-conducteur de type p. Avec l'augmentation de la tension, l'effet tunnel commence; les niveaux se chevauchent et le courant augmente, jusqu'à un certain point. Lorsque le courant augmente davantage, les niveaux d'énergie se chevauchent moins; le courant diminue avec l'augmentation de la tension. C'est la partie de la courbe à ‘ résistance négative ’.
Applications des diodes tunnel
Les applications de la diode tunnel comprennent :
- Oscillateurs et amplificateurs à haute fréquence en raison de leur réponse très rapide par effet tunnel.
- Générateurs micro-ondes et térahertz.
- Commutation à haute vitesse, mémoire et éléments logiques dans des conceptions de niche et héritées.
- Convertisseurs de fréquence et mélangeurs.
Il convient de noter que les diodes tunnel ne sont pas un bon choix pour les diodes redresseuses, car elles présentent un courant de fuite relativement élevé lorsqu'elles sont polarisées en inverse. Par conséquent, elles ne trouvent d'application que dans des circuits spéciaux où leur effet tunnel unique a une valeur.
Pour tirer le meilleur parti de l'effet tunnel, ces diodes sont maintenues à une tension de polarisation située quelque part entre les niveaux de tension de crête et de vallée, toujours dans une polarité de polarisation directe (anode positive et cathode négative).
L'application la plus courante d'une diode tunnel est peut-être dans de simples circuits oscillateurs à haute fréquence, où elle permet à une source de tension continue de fournir de la puissance à un circuit résonant, la diode conduisant lorsque la tension à ses bornes atteint le niveau de crête (tunnel), et s'isolant efficacement à toutes les autres tensions. Les résistances polarisent la diode tunnel à quelques dixièmes de volt centrés sur la portion de résistance négative de la courbe caractéristique. Le circuit résonant/LC peut être une section de guide d'ondes pour un fonctionnement hyperfréquence. Une oscillation jusqu'à 5 GHz est possible.
Illustration de l'application de l'oscillateur à diode tunnel
Une diode tunnel est toujours exploitée dans la région de résistance négative. Lorsqu'elle est utilisée dans cette région, elle fonctionne très bien dans un oscillateur.
Considérons le circuit résonant ci-dessous pour notre discussion :
Remarquez que RP est l'équivalent parallèle de la résistance série de l'enroulement de la bobine.
Lorsque le circuit résonant est mis en oscillation par l'application d'une tension, comme illustré dans le circuit ci-dessous, des oscillations amorties sont produites. Ceci est dû à la perte d'énergie dans la résistance RP du circuit résonant.
Si nous plaçons une diode tunnel en série avec le circuit résonant et polarisée au centre de la portion de résistance négative de sa caractéristique, comme illustré dans le schéma ci-dessous, des oscillations non amorties sont produites en sortie. Ceci est dû au fait que la caractéristique de résistance négative de la diode tunnel contrecarre la caractéristique de résistance positive du circuit résonant.
Le circuit ci-dessus est appelé oscillateur à diode tunnel ou oscillateur à résistance négative.
L'oscillateur à résistance négative présente un inconvénient majeur : bien que le circuit fonctionne très bien à des fréquences extrêmement élevées (gamme supérieure des mégahertz), il ne peut être utilisé efficacement à basses fréquences. Généralement, les oscillateurs basse fréquence utilisent des transistors.
Avantages et Limites des Diodes Tunnel
Les diodes tunnel sont le choix privilégié dans certaines applications car :
- Elles commutent extrêmement rapidement (c'est-à-dire en moins d'une nanoseconde) grâce à l'effet tunnel (sans délai de transit des porteurs).
Les diodes tunnel sont limitées de plusieurs manières :
- Ils fonctionnent à de très basses tensions.
- Ils ont une puissance de sortie limitée et de faibles niveaux de signal.
- Ils sont confrontés à des défis de reproductibilité de fabrication – ils ont été largement remplacés dans de nombreux rôles par des dispositifs à semi-conducteurs modernes ; cependant, on peut encore les trouver utilisés dans des applications spécialisées à haute vitesse ou micro-ondes.
- La concurrence des dispositifs CMOS avancés, HEMT III-V, graphène et plasmoniques THz, ainsi que des circuits supraconducteurs pour certaines applications cryogéniques. Ces facteurs rendent peu probable que les diodes tunnel remplacent les transistors courants.
Quel est l'avenir des diodes tunnel
Les diodes tunnel (aussi bien les diodes à effet tunnel résonant que des variantes plus récentes comme les diodes à espace tunnel asymétrique [ASPAT] – une variante des diodes à effet tunnel/style Esaki conçues pour produire une rectification ou une détection utile à des fréquences élevées tout en minimisant le décalage CC et en améliorant la réactivité) resteront probablement des composantes de niche pour l'électronique à très haute fréquence et l'électronique quantique/cryogénique plutôt que de revenir à la logique CMOS courante.
Voici les raisons pour lesquelles les diodes tunnel sont là pour rester :
- Leurs points forts rendent leur remplacement difficile dans des applications spécifiques : les diodes tunnel possèdent une commutation par effet tunnel quantique extrêmement rapide et une résistance différentielle négative intrinsèque (utile pour les oscillateurs, les mélangeurs, les détecteurs), en outre, leurs bonnes performances aux fréquences micro-ondes à THz et leur utilisation à des températures cryogéniques pour la lecture quantique.
- Il existe des axes de recherche actifs pour les diodes tunnel : les hétérostructures III-V (RTD InGaAs/AlAs), les dispositifs à espace asymétrique (ASPAT/QASPAT) pour des détecteurs/oscillateurs au niveau THz, les approches tunnel compatibles avec le silicium pour une intégration à faible consommation, et la co-conception de dispositifs/circuits pour des améliorations du PVCR et de la puissance de sortie.
Les perspectives à court terme, soit 5 ans pour le tunnel, s'annoncent positives, grâce principalement à :
- Croissance des sources THz spécialisées, des détecteurs et des composants analogiques ultra-rapides pour les communications, la détection et l'imagerie.
- Il y a plus d'intégration avec la photonique III-V et les procédés silicium hétérogènes pour des fonctions de niche sur puce telles que la synchronisation.
Les perspectives à plus long terme (plus de 10 ans) pour les diodes tunnel semblent également bonnes, compte tenu de l'adoption continue dans des niches pour l'électronique térahertz (THz), le contrôle cryogénique classique/quantique et les blocs analogique-numérique ultrarapides, où leur vitesse extrême ou leur résistance différentielle négative (RDN) dans leurs caractéristiques courant-tension est d'une valeur unique.
En outre, leur utilisation plus large dépend de percées qui améliorent le rapport pic/vallée du courant (PVCR) et la puissance de sortie, ou de changements d'application, par exemple, les communications sans fil THz, l'imagerie avancée ou la mise à l'échelle de l'électronique cryogénique.
Un rapport PVCR (= Ip/IV) plus élevé améliore la stabilité du gain de l'oscillateur dans les amplificateurs à résistance différentielle négative (NDR), la marge de commutation dans les applications logiques/mémoire, et la linéarité du détecteur ; un PVCR faible limite la puissance de sortie et les performances du circuit. Pour les applications pratiques de RTD/ASPAT, des valeurs de PVCR élevées (par exemple, 3-10+) sont très souhaitables ; la recherche vise à augmenter le PVCR tout en maintenant une VP faible et une IP suffisante.
Pensées finales
Une diode tunnel est un petit composant, mais elle illustre à quel point les performances d'un circuit peuvent dépendre du choix du bon composant semi-conducteur. Dans la conception et la production électroniques réelles, comprendre le fonctionnement d'un composant n'est que la première étape. Les ingénieurs doivent également tenir compte de la disponibilité, des options de conditionnement, des pièces équivalentes, de l'approvisionnement à long terme et de la possibilité de sourcer de manière fiable le composant sélectionné pour le prototypage et la production de masse.
À PCBCool, nous prenons en charge les projets d'assemblage de circuits imprimés avec Services d'approvisionnement en composants pour aider les clients à simplifier ce processus. Des composants standard aux pièces spécifiques au projet, notre équipe peut vous assister dans la révision des nomenclatures (BOM), l'approvisionnement des composants, les suggestions de pièces alternatives et la coordination de la chaîne d'approvisionnement, aidant ainsi vos projets de PCB et PCBA à passer de la conception à la production plus harmonieusement.
FAQ
Lorsque le BGA principal, la mémoire ou l'interface haute densité ne peuvent pas être routés proprement avec des vias conventionnels. Si le routage d'échappement commence à nécessiter des couches supplémentaires, une taille de carte plus importante ou une géométrie de trace risquée, l'HDI devrait être examiné tôt.
Le lancement pilote a confirmé si la chaîne de fabrication complète pouvait supporter le design, pas seulement si un échantillon pouvait être fabriqué. Il a fourni au client des données réelles de rendement et de livraison avant de s'engager dans une production mensuelle.
John est un spécialiste expérimenté des systèmes électriques, de l'instrumentation, de l'automatisation des processus et du contrôle industriel. Il a travaillé sur l'installation, la maintenance, les essais en usine et la mise en service d'équipements, ce qui lui confère une connaissance pratique du fonctionnement des systèmes industriels en conditions opérationnelles réelles.
