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隧道二极管

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隧道二极管
Tunnel diode
1N3716隧道二极管（旁边2.54mm的jumper是比例尺）
类型被动元件
工作原理量子穿隧效应
发明江崎玲於奈
黒瀬百合子[1]
电路符号
针型阳极和阴极
10mA的锗隧道二极管，装在Tektronix 571曲线追踪仪（英语：Curve tracer）的量测用端子上

隧道二极管（英语：Tunnel Diode），又称江崎二极管、穿隧效应二体、穿隧二极管、透纳二极管是一种有负阻特性的二极管，其负阻特性来自量子穿隧效应。隧道二极管是日本物理学家江崎玲於奈和黒瀬百合子（Yuriko Kurose）在1957年时发明的，当时他任职于东京通讯工业株式会社（现在的索尼）[1][2][3][4]。江崎玲於奈在1973年因为利用实验展示了半导体中的量子穿隧效应，获得诺贝尔物理学奖[5]。罗伯特·诺伊斯在为威廉·肖克利工作时也有有关隧道二极管的想法，但没有继续进行研究[6]。隧道二极管最早是由东京通讯工业株式会社（现在的索尼）在1957年制造[7]，后来通用电气和其他公司在1960年代制造，目前仍有少量生产[8]。

此种二极管是由高掺杂的PN接面所形成（空乏区通常只有10奈米宽），高掺杂会产生晶格的破坏，让N侧的导带电子排布和P侧的价带电子排布有一部分的对齐。常用锗材制作，其他常用材料包括砷化镓、锑化镓或是硅。

用途

隧道二极管在其部分工作范围内存在负阻特性，可以可以用作电子振荡器以及放大器，以及用在利用迟滞现象的交流电路（英语：switching circuit）（switching circuit）里。隧道二极管也用做混频器以及无线电探测器（英语：detector (radio)）[9]:7–35。隧道二极管的电容量低，可以工作在微波频率下，这是一般的二极管以及晶体管无法运作的条件。

8–12 GHz隧道二极管放大器，约在1970年

隧道二极管的输出功率低，因此没有广泛的使用。其电压摆动小，射频功率输出只能到数百微瓦。不过近年来已开发了其他使用穿隧效应的新元件。谐振隧穿二极管（RTD）的工作频率已达到固态电子器件振荡器的最高频率[10]。

另一种隧道二极管是金属—绝缘体—绝缘体—金属（MIIM）二极管，加上一层绝缘层，可以step tunneling，更精准的控制二极管[11]。也有存在金属—绝缘体—金属（英语：metal-insulator-metal）（MIM）二极管，但因为其本质上的高敏感度，目前应用只限在研究环境下[12]。

顺向偏压运作

在一般顺向偏压（英语：forward bias）运作下，电压会增加，第一个隧道的电子通过非常窄的P-N 接面能障，填满N侧的导通带，而此导通带开始和P-N接面中P侧空的价带对齐。电压进一步上升时，两者的对齐情形会变差，因此电流下降。此情形下在电压上升时，电流下降，称为负微分电阻的组态。在电压超过固定的转换点后，隧道二极管就会像一般的二极管一样运作，电子借由传导通过P-N接面，不再利用穿隧效应通过P-N 接面能障。隧道最重要的工作区间就是负电阻区。其电压电流关系图和一般的二极管不同。

逆向偏压运作

主条目：反向二极管（英语：Backward diode）
隧道二极管的I V特性曲线图。在V1和V2之间的灰色电压区域有负电阻特性

隧道二极管用在逆向偏压下，称为反向二极管（英语：Backward diode）（backward diode或back diode），可以用作零偏移电压的快速整流器，对功率信号有完美的线性度（其反向下有精准的平方律（英语：square-law detector）特性）。在逆向偏压的条件下，P侧已填满电子的价态会越来越对正N侧的空价态，电子会以反向依穿隧效应通过P-N接面能障。

技术比较

10 mA 锗隧道二极管的I-V曲线，是由Tektronix model 571 曲线追踪仪所绘制

在传统的半导体二极管中，当P-N接面顺向偏压时，元件会导通，而P-N接面逆向偏压时，电流无法流通。不过当逆向偏压的电压大到逆向崩溃电压（reverse breakdown voltage）时，又会导通。在隧道二极管中，P层和N层渗杂剂的浓度大到使逆向崩溃电压变成0，二极管在逆向偏压时可以导通。不过在顺向偏压时，在某个电压区间内，会因为量子穿隧效应的影响，当电压增加时，顺向电流反而下降。这种负阻特性区间可以用作负电阻管振荡器（英语：dynatron oscillator）的固态电子版本，取代四极管热离子阀（真空管）。

应用

隧道二极管可运作在微波频段，其频率远高于四极管可以达到的频率，因此可用在振荡器以及高频阈值（触发）装置上。隧道二极管的应用包括UHF电视调谐器的本身振荡器，示波器中的触发电路，高速计数器电路，以及上升时间非常短的脉波产生电路。1977年Intelsat（英语：Intelsat） V 通讯卫星接收器用了一个microstrip隧道二极管放大器前极，频段在14–15.5 GHz。这类放大器是当时的先进技术，高频下的性能比所有晶体管的前极都要好[13]。隧道二极管可以用做低噪声的的微波放大器[9]:13–64。在此元件发现之后，越来越多的传统半导体性能已超过以往使用传统振荡器技术的性能。对于许多的应用来说，三端子的元件（例如场效应晶体管）灵活度会比只有二个极子的要大。实务应用上，隧道二极管运作需要电流只有几个微安，电压小于一伏特，因此是低功率设备[14]耿氏二极管的频率运作范围和隧道二极管类似，但可以处理较大的功率。

隧道二极管抗辐射强化的效果比其他二极管要好[来源请求]。因此适合用在高辐射的环境下（例如太空）。

寿命长

隧道二极管容易因为过热而损坏，因此在软钎焊时需格外注意。

隧道二极管有个著名的的特点：寿命长，1960年代制作的元件仍能运作。江崎玲於奈等人在自然期刊中提到，一般而言这类半导体元件非常稳定，若存放在室温以下，推测其寿命是无限的。他们后来用一批制作50年的元件进行小量的测试，发现“二极管的寿命有令人满意的结果。”。就像在一些隧道二极管样品中所发现的一样，镀金铁引脚其实会失锈，使得对外壳短路。这问题多半可以检查出来，这可以用维修电话电路板常用的过氧化物及醋酸来处理，内部的隧道二极管仍可以运作[15]。

相关条目

参考资料

  1. ^ 1.0 1.1 US 3033714,发行于1962-05-08 
  2. ^ Esaki, Leo. New Phenomenon in Narrow Germanium p−n Junctions. Physical Review. 1958-01-15, 109 (2): 603–604. Bibcode:1958PhRv..109..603E. doi:10.1103/PhysRev.109.603. 
  3. ^ Esaki, Reona (Leo); Kurose, Yuriko; Suzuki, Takashi. Internal Field Emission at Ge P-N Junction. Physical Society of Japan 1957 annual meeting. 1957 [2024-07-07]. doi:10.11316/jpsgaiyoi.12.5.0_85. 
  4. ^ The Esaki Diode, Chapter 9 The Model 2T7 Transistor, Part I, Sony History. Sony Corporation. 1996 [2018-04-04]. 
  5. ^ The Nobel Prize in Physics 1973: Award ceremony speech. NobelPrize.org. [2023-12-17] （美国英语）. 
  6. ^ Berlin, Leslie. The Man Behind the Microchip: Robert Noyce and the Invention of Silicon Valley. Oxford University Press. 2005. ISBN 0-19-516343-5. 
  7. ^ ソニー半導体の歴史. （原始内容存档于2009-02-02） （日语）. 
  8. ^ Rostky, George. Tunnel diodes: the transistor killers. EE Times. [2 October 2009]. （原始内容存档于7 January 2010）. 
  9. ^ 9.0 9.1 Fink, Donald G. (编). Electronic Engineers Handbook. New York, NY: McGraw Hill. 1975. ISBN 0-07-020980-4. 
  10. ^ Brown, E.R.; Söderström, J.R.; Parker, C.D.; Mahoney, L.J.; Molvar, K.M.; McGill, T.C. Oscillations up to 712 GHz in InAs/AlSb resonant-tunneling diodes (PDF). Applied Physics Letters. 18 March 1991, 58 (20): 2291 [26 December 2012]. Bibcode:1991ApPhL..58.2291B. ISSN 0003-6951. doi:10.1063/1.104902. （原始内容 (PDF)存档于23 September 2015）. 
  11. ^ Conley, John. Electronics advance moves closer to a world beyond silicon. OSU College of Engineering. 4 September 2013. 
  12. ^ The MIM diode: Another challenger for the electronics crown. SciTechStory. 19 November 2010 [4 January 2017]. （原始内容存档于24 December 2016）. 
  13. ^ Mott, R.C. Intelsat V 14 GHz tunnel diode noise figure study. COMSAT Technical Review. November 1978, 8: 487–507. Bibcode:1978COMTR...8..487M. ISSN 0095-9669. 
  14. ^ Turner, L.W. (编). Electronics Engineer's Reference Book 4th. London, UK: Newnes-Butterworth. 1976: 8–18. ISBN 0-408-00168-2. 
  15. ^ Esaki, Leo; Arakawa, Yasuhiko; Kitamura, Masatoshi. Esaki diode is still a radio star, half a century on. Nature. 2010, 464 (7285): 31. Bibcode:2010Natur.464Q..31E. PMID 20203587. doi:10.1038/464031b 可免费查阅. 

外部链接

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