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Guia Completo de Diodos Túnel
Existem diferentes tipos de diodos, cada um projetado para cumprir propósitos distintos em aplicações de circuitos; por exemplo, diodos retificadores são utilizados para converter a tensão da rede elétrica AC para DC, e diodos TVS são usados para proteção contra surtos e ESD.
Diodos convencionais geralmente exibem resistência positiva quando polarizados diretamente (ou seja, a corrente fluindo através de um circuito aumenta à medida que a tensão é aumentada). Por outro lado, um diodo túnel exibe resistência negativa entre dois valores de tensão direta; em outras palavras, a corrente diminui à medida que a tensão é aumentada em certas regiões na direção direta. Isso torna o diodo túnel uma escolha preferencial em aplicações como circuitos de chaveamento de alta velocidade.
Neste artigo, explicaremos os principais detalhes e o funcionamento, bem como as aplicações dos diodos tunnel, fornecendo-lhe o conhecimento fundamental necessário como engenheiro projetando sistemas que incorporam diodos tunnel ou educando-o como um entusiasta de eletrônica que está apenas começando a aprendê-los.
Vamos direto ao ponto.
O que é um Diodo Túnel
Um diodo túnel, também conhecido como diodo Esaki, é um diodo de junção p-n semicondutor que exibe resistência negativa entre dois valores de tensão direta, ou seja, entre a tensão de pico e a tensão de vale.
Um diodo semicondutor típico geralmente apresenta resistência positiva quando está polarizado diretamente, mas se um diodo de junção semicondutor for dopado intensamente com impurezas, ele exibe resistência negativa (ou seja, a corrente diminui à medida que a tensão aumenta) em certas regiões na direção direta – esta é uma característica fundamental de um diodo túnel.
Essa propriedade única dos diodos tunnel surge do tunelamento quântico e torna os diodos tunnel especialmente valiosos em aplicações de micro-ondas e alta frequência, onde podem atuar como amplificadores, osciladores e chaves de alta velocidade.
Como Funciona um Diodo Túnel
Essencialmente, o diodo túnel ainda é uma junção p-n, mas com dopagem pesada de materiais semicondutores tipo p e tipo n. Na verdade, um diodo túnel é dopado aproximadamente 1000 vezes mais intensamente do que um diodo convencional.
A dopagem pesada em um diodo túnel dá origem a um grande número de portadores majoritários. Devido ao grande número de portadores, a maioria não é utilizada durante a recombinação inicial que produz a camada de depleção. Consequentemente, a camada de depleção torna-se muito estreita.
Essa camada de depleção muito estreita é o que torna o efeito de tunelamento possível. O tunelamento pode ser definido como o movimento de elétrons de valência da banda de energia de valência para a banda de condução com pouca ou nenhuma tensão direta aplicada. Em outras palavras, podemos dizer que os elétrons de valência parecem tunelar através da banda de energia proibida.
Como a camada de depleção é extremamente estreita, é necessária apenas uma pequena tensão direta aplicada para causar condução. À medida que a tensão direta aumenta através de uma determinada faixa, a corrente de tunelamento primeiro aumenta e depois diminui, formando a região de resistência negativa que diferencia o diodo tunnel dos diodos comuns.
Características Corrente-Tensão do Diodo Túnel
Quando uma pequena tensão de polarização direta é aplicada através de um diodo túnel, ele começa a conduzir corrente. À medida que a tensão é aumentada, a corrente aumenta e atinge um valor de pico chamado corrente de pico (IP = 2,2 mA) em aproximadamente a tensão de ponto de pico VP (=0,07 V). Até este ponto, o diodo apresentou resistência positiva.
Se a tensão for aumentada um pouco mais, além de VP, a corrente, na verdade, começa a diminuir até atingir um ponto baixo chamado corrente de vale (IV = 0,3 mA) e onde está a tensão de ponto de vale (Vv = 0,7 V).
Na região entre o ponto de pico e o ponto de vale, ou seja, entre os pontos P e V, o diodo exibe resistência negativa, isto é, à medida que a tensão de polarização direta aumenta, a corrente diminui. Isso sugere que o diodo túnel, se operado na região de resistência negativa, pode ser utilizado como um oscilador ou um comutador.
Se a tensão for aumentada ainda mais além de VV = 0,7 V, a corrente começa a aumentar novamente, desta vez sem decrescer para outro ‘vale’; em outras palavras, a partir do ponto V, o diodo túnel se comporta como um diodo normal, ou seja, o diodo exibe resistência positiva mais uma vez.
Note que o diodo túnel geralmente possui uma alta corrente reversa, mas a operação sob esta condição normalmente não é utilizada.
As tensões de polarização direta necessárias para levar um diodo túnel a suas correntes de pico e de vale são conhecidas, respectivamente, como tensão de pico VP e tensão de vale VV. A região no gráfico onde a corrente está diminuindo enquanto a tensão aplicada está aumentando, ou seja, entre VP e VV na escala horizontal, é conhecida como região de resistência negativa.
Os diodos túnel são capazes de transitar entre os níveis de corrente de pico e de vale muito rapidamente, alternando entre estados de condução altos e baixos muito mais rápido do que até mesmo os diodos Schottky. As características do diodo túnel também são relativamente inalteradas por mudanças na temperatura.
Os diodos túnel são dopados intensamente nas regiões P e N, 1000 vezes o nível em um diodo retificador convencional. Isso foi ilustrado na figura abaixo:
Referindo-se à figura acima, pode-se observar as tensões de breakdown reverso versus vários níveis de concentração de dopagem para diodos padrão, diodos Zener e diodos tunnel. Os diodos padrão estão à extrema esquerda, o diodo Zener próximo à esquerda, e os diodos tunnel à direita da linha tracejada.
A dopagem elevada produz uma região de depleção estranhamente fina. Isso, por sua vez, produz uma tensão de ruptura reversa incomumente baixa com alta fuga. A fina região de depleção causa alta capacitância. Para superar isso, a área da junção do diodo túnel deve ser minúscula.
As características do diodo direto compreendem duas regiões: uma característica normal de diodo direto com a corrente aumentando exponencialmente além de VF, 0,3 V para materiais semicondutores de germânio e 0,7 V para silício.
Em referência à figura acima: entre 0 e VF encontra-se um pico de característica de ‘resistência negativa’. Essa ocorrência se deve ao tunelamento quântico, envolvendo a natureza dual partícula-onda dos elétrons.
Em diodos tunnel, a região de depleção é fina o suficiente em comparação com o comprimento de onda equivalente do elétron para que estes possam atravessá-la por tunelamento. Assim, diodos tunnel não precisam superar a tensão normal de avanço VF do diodo.
A porção negativa da curva pode ser explicada da seguinte forma:
O nível de energia da banda de condução do material semicondutor tipo n se sobrepõe ao nível da banda de valência na região do semicondutor tipo p. Com o aumento da tensão, o tunelamento começa; os níveis se sobrepõem e a corrente aumenta, até um certo ponto. À medida que a corrente aumenta ainda mais, os níveis de energia se sobrepõem menos; a corrente diminui com o aumento da tensão. Esta é a porção de ‘resistência negativa’ da curva.
Aplicações de Diodos de Túnel
As aplicações do diodo túnel incluem:
- Osciladores e amplificadores de alta frequência devido à sua resposta de tunelamento muito rápida.
- Geradores de micro-ondas e terahertz.
- Comutação de alta velocidade, memória e elementos lógicos em projetos de nicho e legados.
- Conversores de frequência e misturadores.
Observe que os diodos tunnel não são uma boa escolha como diodos retificadores, pois possuem corrente de fuga relativamente alta quando polarizados reversamente. Consequentemente, eles só encontram aplicação em circuitos especiais onde seu efeito túnel único tem valor.
Para tirar o máximo proveito do efeito túnel, esses diodos são mantidos sob uma tensão de polarização em algum ponto entre os níveis de tensão de pico e de vale, sempre com polaridade de polarização direta (ânodo positivo e cátodo negativo).
Talvez a aplicação mais comum de um diodo túnel seja em simples circuitos osciladores de alta frequência, onde ele permite que uma fonte de tensão CC contribua com energia para um circuito ressonante, com o diodo conduzindo quando a tensão através dele atinge o nível de pico (túnel) e efetivamente isolando em todas as outras tensões. Os resistores polarizam o diodo túnel em algumas décimos de volt centrados na porção de resistência negativa da curva característica. O circuito ressonante/LC pode ser uma seção de guia de onda para operação em micro-ondas. Oscilação até 5 GHz é possível.
Ilustração de Aplicação de Oscilador de Diodo Túnel
Um diodo tunnel é sempre operado na região de resistência negativa. Quando operado nesta região, funciona muito bem em um oscilador.
Consideremos o circuito ressonante abaixo para nossa discussão:
Observe que RP é o equivalente paralelo da resistência série do enrolamento da bobina.
Quando o circuito ressonante é colocado em oscilação pela aplicação de tensão, como ilustrado no circuito abaixo, são produzidas oscilações amortecidas. Isto ocorre porque a energia é perdida na resistência RP do circuito ressonante.
Se colocarmos um diodo túnel em série com o circuito ressonante e polarizar no centro da porção de resistência negativa de sua característica, conforme mostrado no circuito abaixo, oscilações não amortecidas são produzidas na saída. Isso se deve ao fato de que a característica de resistência negativa do diodo túnel neutraliza a característica de resistência positiva do circuito ressonante.
O circuito acima é denominado oscilador de diodo túnel ou oscilador de resistência negativa.
O oscilador de resistência negativa possui uma deficiência chave: embora o circuito funcione muito bem em frequências extremamente altas (na faixa superior de megahertz), ele não pode ser utilizado eficientemente em baixas frequências. Geralmente, osciladores de baixa frequência utilizam transistores.
Vantagens e Limitações dos Diodos Tunnel (Diodos de Tunelamento)
Diodos tunnel são a escolha preferencial em algumas aplicações porque:
- Eles são extremamente rápidos (ou seja, sub-nanossegundos) devido ao tunelamento (sem atraso de trânsito de portadores).
Os diodos túnel são limitados de várias maneiras:
- Eles operam em tensões muito baixas.
- Eles possuem potência de saída limitada e níveis de sinal pequenos.
- Eles enfrentam desafios de reprodutibilidade na fabricação – foram amplamente substituídos em muitas funções por dispositivos semicondutores modernos; no entanto, ainda é possível encontrá-los em uso em aplicações especializadas de alta velocidade ou micro-ondas.
- Concorrência de dispositivos CMOS avançados, HEMTs III-V, grafeno e dispositivos plasmônicos THz e circuitos supercondutores para alguns usos criogênicos. Isso torna improvável que os diodos tunnel substituam os transistores convencionais.
Qual é o futuro dos Diodos Túnel?
Diodos túnel (tanto diodos de tunelamento ressonante quanto variantes mais novas como o túnel de espaço assimétrico [ASPAT] – uma variante de diodos túnel/estilo Esaki projetados para produzir retificação ou detecção útil em altas frequências, minimizando o deslocamento DC e melhorando a capacidade de resposta) provavelmente permanecerão como componentes de nicho vitais para eletrônica de ultra-alta frequência e quântica/criogênica, em vez de retornar à lógica CMOS convencional.
Aqui estão as razões pelas quais os diodos túnel vieram para ficar:
- Suas propriedades os tornam substitutos não triviais em aplicações específicas: diodos túnel possuem comutação de tunelamento quântico extremamente rápida e resistência diferencial negativa intrínseca (útil para osciladores, misturadores, detectores), além de seu bom desempenho em frequências de micro-ondas a THz e uso em temperaturas criogênicas para leitura quântica.
- Existem direções de pesquisa ativas para o diodo tunnel: heteroestruturas III-V (RTDs InGaAs/AIAs), dispositivos de espaço assimétricos (ASPAT/QASPAT) para detectores/osciladores em nível THz, abordagens de tunelamento compatíveis com silício para integração de baixa potência e co-projeto de dispositivo/circuito para PVCR aprimorado e potência de saída.
As perspectivas a curto prazo, de 5 anos para túneis, parecem positivas, impulsionadas principalmente por:
- Crescimento em fontes THz especializadas, detectores e componentes analógicos ultrarrápidos para comunicações, sensoriamento e imageamento.
- Há maior integração com fotônica III-V e processos de silício heterogêneos para funções de nicho on-chip, como o controle de tempo (clocking).
A perspectiva de longo prazo (10+ anos) para diodos túnel também parece boa, pois há adoção contínua em nichos para eletrônica de terahertz (THz), controle clássico/quântico criogênico e blocos de sinais mistos ultrarrápidos, onde sua velocidade extrema ou resistência diferencial negativa (NDR) em suas características de corrente-tensão são de valor excepcional.
Adicionalmente, sua utilização mais ampla depende de avanços que elevem a Relação Corrente Pico-Vale (PVCR) e a potência de saída, ou de mudanças de aplicação, como comunicações sem fio em THz, imagens avançadas ou escalonamento de eletrônica criogênica.
Maior PVCR (= Ip/IV) melhora o ganho de estabilidade do oscilador em amplificadores de resistência diferencial negativa (NDR), a margem de comutação em usos lógicos/de memória e a linearidade do detector; baixo PVCR limita a potência de saída e o desempenho do circuito. Para aplicações práticas de RTD/ASPAT, valores de PVCR de níveis (por exemplo, 3-10+) são muito desejáveis; a pesquisa visa aumentar o PVCR mantendo VP baixo e IP suficiente.
Considerações Finais
Um diodo de túnel é um dispositivo pequeno, mas demonstra o quanto o desempenho de um circuito pode depender da escolha do componente semicondutor adequado. No projeto e na produção eletrônica na prática, compreender como um componente funciona é apenas o primeiro passo. Os engenheiros também precisam levar em consideração a disponibilidade, as opções de embalagem, peças equivalentes, o fornecimento a longo prazo e se o componente selecionado pode ser obtido de forma confiável para a produção de protótipos e em massa.
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