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Guida completa ai diodi tunnel
Esistono diversi tipi di diodi e ognuno è progettato per svolgere scopi diversi nelle applicazioni di circuito; ad esempio, i diodi raddrizzatori vengono utilizzati per convertire la tensione di rete CA in CC e i diodi TVS vengono utilizzati per la protezione da sovratensioni ed ESD.
I diodi convenzionali solitamente presentano resistenza positiva quando sono polarizzati inversamente (cioè, la corrente che scorre attraverso un circuito aumenta all'aumentare della tensione). D'altra parte, un diodo a tunnel presenta resistenza negativa tra due valori di tensione diretta; in altre parole, la corrente diminuisce all'aumentare della tensione in determinate regioni in direzione diretta. Ciò rende il diodo a tunnel una scelta preferita in applicazioni come i circuiti di commutazione ad alta velocità.
In questo articolo, spiegheremo i dettagli principali e il funzionamento, nonché le applicazioni dei diodi tunnel, fornendoti le conoscenze fondamentali necessarie come ingegnere che progetta sistemi che incorporano diodi tunnel o educandoti come appassionato studente di elettronica che sta appena iniziando a imparare su di essi.
Andiamo dritti al punto.
Un diodo tunnel
Un diodo a tunnel, noto anche come diodo Esaki, è un diodo a giunzione p-n a semiconduttore che presenta una resistenza negativa tra due valori di tensione in avanti, ovvero tra la tensione di picco e la tensione di valle.
Un tipico diodo a semiconduttore di solito presenta una resistenza positiva quando è polarizzato direttamente, ma se una giunzione a semiconduttore è fortemente drogata con impurità, presenta una resistenza negativa (cioè, la corrente diminuisce all'aumentare della tensione) in certe regioni in direzione diretta – questa è una caratteristica chiave di un diodo a tunnel.
Questa proprietà unica dei diodi tunnel deriva dall'effetto tunnel quantistico e rende i diodi tunnel particolarmente preziosi nelle applicazioni a microonde e ad alta frequenza dove possono agire come amplificatori, oscillatori e interruttori ad alta velocità.
Come funziona un diodo a tunnel
Essenzialmente, il diodo tunnel è ancora una giunzione p-n ma con un drogaggio elevato di materiali semiconduttori di tipo p e di tipo n. Infatti, un diodo tunnel è drogato circa 1000 volte più di un diodo convenzionale.
L'elevata drogatura in un diodo tunnel dà origine a un gran numero di portatori maggioritari. A causa del gran numero di portatori, la maggior parte non viene utilizzata durante la ricombinazione iniziale che produce lo strato di svuotamento. Di conseguenza, lo strato di svuotamento è molto stretto.
Questo strato di svuotamento molto sottile è ciò che rende possibile l'effetto tunnel. L'effetto tunnel può essere definito come il movimento degli elettroni di valenza dalla banda di energia di valenza alla banda di conduzione con una tensione diretta applicata minima o nulla. In altre parole, possiamo dire che gli elettroni di valenza sembrano passare attraverso la banda proibita di energia per effetto tunnel.
Poiché lo strato di svuotamento è estremamente sottile, è necessaria una tensione diretta applicata molto piccola per produrre la conduzione. All'aumentare della tensione diretta attraverso un certo intervallo, la corrente di tunnel prima aumenta e poi diminuisce, formando la regione di resistenza negativa che rende il diodo a tunnel diverso dai diodi ordinari.
Caratteristiche V-I del Diodo Tunnel
Quando viene applicata una piccola tensione di polarizzazione diretta a un diodo a tunnel, questo inizia a condurre corrente. All'aumentare della tensione, la corrente aumenta e raggiunge un valore di picco chiamato corrente di picco (IP = 2,2 mA) a circa la tensione di punto di picco VP (=0,07 V). Fino a questo punto, il diodo ha mostrato una resistenza positiva.
Se la tensione viene aumentata ancora un po', oltre VP, la corrente in realtà inizia a diminuire fino a raggiungere un punto basso chiamato corrente di valle (IV = 0,3 mA) e dove la tensione di punto di valle (Vv = 0,7 V).
Nella regione compresa tra il punto di picco e il punto di valle, ovvero tra i punti P e V, il diodo presenta una resistenza negativa, ossia all'aumentare della tensione di polarizzazione diretta, la corrente diminuisce. Ciò suggerisce che il diodo a tunnel, se fatto funzionare nella regione di resistenza negativa, può essere utilizzato come oscillatore o come interruttore.
Se la tensione viene ulteriormente aumentata oltre VV = 0,7 V, la corrente inizia ad aumentare nuovamente, questa volta senza diminuire in un'altra ‘valle’; in altre parole, dal punto V in poi, il diodo a tunnel si comporta come un diodo normale, cioè il diodo presenta nuovamente una resistenza positiva.
Si noti che il diodo tunnel ha solitamente una corrente inversa elevata, ma il funzionamento in questa condizione non viene normalmente utilizzato.
Le tensioni di alimentazione necessarie per portare un diodo a tunnel alle sue correnti di picco e di valle sono note rispettivamente come tensione di picco VP e tensione di valle VV. La regione sul grafico in cui la corrente diminuisce mentre la tensione applicata aumenta, cioè tra VP e VV sulla scala orizzontale, è nota come regione di resistenza negativa.
I diodi tunnel sono in grado di passare dai livelli di corrente di picco a quelli di valle molto velocemente, commutando tra stati di conduzione alti e bassi molto più rapidamente degli stessi diodi Schottky. Le caratteristiche del diodo tunnel sono inoltre relativamente insensibili alle variazioni di temperatura.
I diodi tunnel sono fortemente drogati sia nelle regioni P che N, 1000 volte il livello di un diodo raddrizzatore convenzionale. Questo è stato illustrato nella figura sottostante:
Facendo riferimento alla figura sopra, si possono osservare le tensioni di breakdown inverse in funzione di vari livelli di concentrazione di drogaggio per diodi standard, diodi Zener e diodi tunnel. I diodi standard sono all'estrema sinistra, il diodo Zener vicino a sinistra e i diodi tunnel a destra della linea tratteggiata.
Il drogaggio elevato produce una regione di svuotamento stranamente sottile. Questo, a sua volta, produce una tensione di breakdown inversa insolitamente bassa con alta dispersione. La sottile regione di svuotamento causa un'alta capacità. Per ovviare a ciò, l'area della giunzione del diodo tunnel deve essere minuscola.
Le caratteristiche del diodo in polarizzazione diretta consistono in due regioni: una caratteristica di diodo in polarizzazione diretta normale con la corrente che aumenta esponenzialmente oltre VF, 0,3 V per i materiali semiconduttori al germanio e 0,7 V per il silicio.
In riferimento alla figura sopra: tra 0 e VF si trova un picco di caratteristica a ‘resistenza negativa’. Questo evento è dovuto all'effetto tunnel quantomeccanico che coinvolge la duplice natura onda-particella degli elettroni.
Nei diodi a tunnel la regione di svuotamento è abbastanza sottile rispetto alla lunghezza d'onda equivalente dell'elettrone che questi possono attraversarla per effetto tunnel. Pertanto, i diodi a tunnel non devono superare la normale tensione diretta VF del diodo.
La parte negativa della curva può essere spiegata come segue:
Il livello energetico della banda di conduzione del materiale semiconduttore di tipo n si sovrappone al livello della banda di valenza nella regione semiconduttrice di tipo p. Con l'aumentare della tensione, inizia il tunneling; i livelli si sovrappongono e la corrente aumenta, fino a un certo punto. Man mano che la corrente aumenta ulteriormente, i livelli energetici si sovrappongono meno; la corrente diminuisce con l'aumentare della tensione. Questa è la porzione di ‘resistenza negativa’ della curva.
Applicazioni dei diodi tunnel
Le applicazioni del diodo tunnel includono:
- Oscillatori e amplificatori ad alta frequenza grazie alla loro rapidissima risposta di tunneling.
- Generatori a microonde e a terahertz.
- Commutazione ad alta velocità, elementi di memoria e logica in progetti di nicchia e legacy.
- Convertitori di frequenza e mixer.
Si noti che i diodi tunnel non sono una buona scelta come diodi raddrizzatori, poiché presentano una corrente di dispersione relativamente elevata quando polarizzati inversamente. Di conseguenza, trovano applicazione solo in circuiti speciali in cui il loro esclusivo effetto tunnel ha valore.
Per sfruttare al meglio l'effetto tunnel, questi diodi vengono mantenuti a una tensione di polarizzazione compresa tra i livelli di tensione di picco e di valle, sempre con polarità di polarizzazione diretta (anodo positivo e catodo negativo).
Forse l'applicazione più comune di un diodo tunnel è in semplici circuiti oscillatori ad alta frequenza, dove consente a una sorgente di tensione DC di fornire potenza a un circuito risonante, con il diodo che conduce quando la tensione ai suoi capi raggiunge il livello di picco (tunnel) e si isola effettivamente a tutte le altre tensioni. I resistori polarizzano il diodo tunnel a pochi decimi di volt centrati sulla porzione di resistenza negativa della curva caratteristica. Il circuito risonante/LC può essere una sezione di guida d'onda per operazioni a microonde. L'oscillazione fino a 5 GHz è possibile.
Illustrazione dell'applicazione dell'oscillatore a diodo a tunnel
Un diodo tunnel opera sempre nella regione di resistenza negativa. Se operato in questa regione, funziona molto bene in un oscillatore.
Consideriamo il circuito risonante qui sotto per la nostra discussione:
Notare che RP è l'equivalente parallelo della resistenza dell'avvolgimento in serie della bobina.
Quando il circuito risonante viene messo in oscillazione applicando una tensione come illustrato nel circuito sottostante, vengono prodotte oscillazioni smorzate. Ciò è dovuto alla perdita di energia nella resistenza RP del circuito risonante.
Se inseriamo un diodo tunnel in serie con il circuito risonante e polarizzato al centro della porzione di resistenza negativa della sua caratteristica, come mostrato nel circuito sottostante, si producono oscillazioni non smorzate in uscita. Ciò è dovuto al fatto che la caratteristica di resistenza negativa del diodo tunnel contrasta la caratteristica di resistenza positiva del circuito risonante.
Il circuito sopra è chiamato oscillatore a diodo tunnel o oscillatore a resistenza negativa.
L'oscillatore a resistenza negativa ha un difetto principale: mentre il circuito funziona molto bene a frequenza estremamente elevata (gamma dei megahertz superiori), non può essere utilizzato in modo efficiente a basse frequenze. Generalmente, gli oscillatori a bassa frequenza utilizzano transistor.
Vantaggi e Limitazioni dei Diodi Tunnel
I diodi tunnel sono la scelta preferita in alcune applicazioni perché:
- Sono estremamente veloci (cioè sub-nanosecondi) in commutazione grazie all'effetto tunnel (nessun ritardo di transito dei portatori).
I diodi tunnel sono limitati in diversi modi:
- Operano a tensioni molto basse.
- Hanno una potenza di uscita limitata e bassi livelli di segnale.
- Affrontano sfide di riproducibilità della produzione – sono stati ampiamente sostituiti in molti ruoli da moderni dispositivi a semiconduttore; tuttavia, potresti ancora trovarli in uso in applicazioni specializzate ad alta velocità o a microonde.
- Competizione da parte di CMOS avanzati, HEMT III-V, dispositivi al grafene e plasmonici per THz e circuiti superconduttori per alcuni usi criogenici. Ciò rende improbabile che i diodi a tunnel sostituiscano i transistor tradizionali.
Qual è il futuro dei diodi tunnel
I diodi tunnel (sia i diodi a tunnel risonante che le varianti più recenti come gli asymmetric space tunnel [ASPAT] – una variante dei diodi tunnel/stile Esaki ingegnerizzati per produrre rettifica o rilevamento utili ad alte frequenze, minimizzando al contempo lo spostamento DC e migliorando la reattività) rimarranno probabilmente di nicchia come componenti vitali per l'elettronica a frequenza ultra-elevata e quantistica/criogenica, piuttosto che tornare alla logica CMOS mainstream.
Ecco le ragioni per cui i diodi tunnel sono qui per restare:
- I loro punti di forza li rendono non facilmente sostituibili in applicazioni specifiche: i diodi tunnel possiedono una commutazione quantistica a effetto tunnel estremamente rapida e una resistenza differenziale negativa intrinseca (utile per oscillatori, mixer, rivelatori), inoltre, le loro buone prestazioni a livelli di frequenza microonde – THz e l'uso a temperature criogeniche per la lettura quantistica.
- Ci sono direzioni di ricerca attive per i diodi a tunnel: eterostrutture III-V (RTD InGaAs/AIAs), dispositivi spaziali asimmetrici (ASPAT/QASPAT) per rilevatori/oscillatori a livello THz, approcci di tunneling compatibili con il silicio per l'integrazione a basso consumo e co-progettazione dispositivo/circuito per migliorare PVCR e potenza di uscita.
Le prospettive a breve termine, diciamo 5 anni, per i tunnel appaiono positive, trainate principalmente da:
- Crescita in sorgenti THz specializzate, rilevatori e componenti analogici ultra-veloci per comunicazioni, rilevamento e imaging.
- C'è maggiore integrazione con la fotonica III-V e i processi eterogenei al silicio per funzioni di nicchia on-chip come il clocking.
Le prospettive a lungo termine (10+ anni) per i diodi tunnel appaiono promettenti poiché vi è una continua adozione di nicchia per l'elettronica a terahertz (THz), il controllo classico/quantistico criogenico e i blocchi a segnale misto ultrarapidi, dove la loro estrema velocità o la resistenza differenziale negativa (NDR) nelle loro caratteristiche corrente-tensione sono unicamente preziose.
Inoltre, il loro uso più ampio dipende da scoperte che aumentino il rapporto picco-valle di corrente (PVCR) e la potenza di uscita, o da cambiamenti applicativi, ad esempio, comunicazioni wireless THz, imaging avanzato o scaling elettro-crio-genico.
Un PVCR più elevato (= Ip/IV) migliora il guadagno di stabilità dell’oscillatore negli amplificatori a resistenza differenziale negativa (NDR), il margine di commutazione nelle applicazioni logiche e di memoria e la linearità del rivelatore; un PVCR basso limita la potenza di uscita e le prestazioni del circuito. Per le applicazioni pratiche RTD/ASPAT, sono particolarmente auspicabili valori di PVCR compresi tra (ad esempio, 3-10+); la ricerca mira ad aumentare il PVCR mantenendo basso il VP e un IP sufficiente.
Considerazioni finali
Un diodo a tunnel è un piccolo dispositivo, ma mostra quanto le prestazioni di un circuito possano dipendere dalla scelta del giusto componente a semiconduttore. Nella progettazione e produzione elettronica reale, capire come funziona un componente è solo il primo passo. Gli ingegneri devono anche considerare la disponibilità, le opzioni di package, le parti equivalenti, l'approvvigionamento a lungo termine e se il componente selezionato può essere reperito in modo affidabile per la prototipazione e la produzione di massa.
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Domande frequenti
Quando il BGA principale, la memoria o l'interfaccia ad alta densità non possono essere instradati in modo pulito con fori passanti convenzionali. Se il routing di fuga inizia a forzare strati aggiuntivi, dimensioni della scheda più grandi o geometria di traccia rischiosa, l'HDI dovrebbe essere rivisto precocemente.
La prova pilota ha confermato se l'intera catena produttiva potesse supportare il progetto, non solo se un singolo campione potesse essere realizzato. Ha fornito al cliente dati reali su resa e consegna prima di impegnarsi nella produzione mensile.
John è uno specialista esperto di sistemi elettrici, strumentazione, automazione di processo e controllo industriale. Ha maturato esperienza nell'installazione di apparecchiature, manutenzione, collaudo in fabbrica e messa in servizio, offrendogli una visione pratica su come i sistemi industriali si comportano nei reali ambienti operativi.
