隧道二極管
隧道二極管 Tunnel diode | |
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類型 | 被動元件 |
工作原理 | 量子穿隧效應 |
發明 | 江崎玲於奈 黒瀬百合子[1] |
電路符號 | |
針型 | 陽極和陰極 |
隧道二極管(英語:Tunnel Diode),又稱江崎二極管、穿隧效應二體、穿隧二極管、透納二極管是一種有負阻特性的二極管,其負阻特性來自量子穿隧效應。隧道二極管是日本物理學家江崎玲於奈和黒瀬百合子(Yuriko Kurose)在1957年時發明的,當時他任職於東京通訊工業株式會社(現在的索尼)[1][2][3][4]。江崎玲於奈在1973年因為利用實驗展示了半導體中的量子穿隧效應,獲得諾貝爾物理學獎[5]。羅伯特·諾伊斯在為威廉·肖克利工作時也有有關隧道二極管的想法,但沒有繼續進行研究[6]。隧道二極管最早是由東京通訊工業株式會社(現在的索尼)在1957年製造[7],後來通用電氣和其他公司在1960年代製造,目前仍有少量生產[8]。
此種二極管是由高摻雜的PN接面所形成(空乏區通常只有10奈米寬),高摻雜會產生晶格的破壞,讓N側的導帶電子排布和P側的價帶電子排布有一部份的對齊。常用鍺材製作,其他常用材料包括砷化鎵、銻化鎵或是矽。
用途
隧道二極管在其部份工作範圍內存在負阻特性,可以可以用作電子振盪器以及放大器,以及用在利用遲滯現象的交流電路(switching circuit)裏。隧道二極管也用做混頻器以及無線電探測器[9]:7–35。隧道二極管的電容量低,可以工作在微波頻率下,這是一般的二極管以及電晶體無法運作的條件。
隧道二極管的輸出功率低,因此沒有廣泛的使用。其電壓擺動小,射頻功率輸出只能到數百微瓦。不過近年來已開發了其他使用穿隧效應的新元件。諧振隧穿二極管(RTD)的工作頻率已達到固態電子器件振盪器的最高頻率[10]。
另一種隧道二極管是金屬—絕緣體—絕緣體—金屬(MIIM)二極管,加上一層絕緣層,可以step tunneling,更精準的控制二極管[11]。也有存在金屬—絕緣體—金屬(MIM)二極管,但因為其本質上的高敏感度,目前應用只限在研究環境下[12]。
順向偏壓運作
在一般順向偏壓運作下,電壓會增加,第一個隧道的電子通過非常窄的P-N 接面能障,填滿N側的導通帶,而此導通帶開始和P-N接面中P側空的價帶對齊。電壓進一步上昇時,兩者的對齊情形會變差,因此電流下降。此情形下在電壓上昇時,電流下降,稱為負微分電阻的組態。在電壓超過固定的轉換點後,隧道二極管就會像一般的二極管一樣運作,電子藉由傳導通過P-N接面,不再利用穿隧效應通過P-N 接面能障。隧道最重要的工作區間就是負電阻區。其電壓電流關係圖和一般的二極管不同。
逆向偏壓運作
隧道二極管用在逆向偏壓下,稱為反向二極管(backward diode或back diode),可以用作零偏移電壓的快速整流器,對功率信號有完美的線性度(其反向下有精準的平方律特性)。在逆向偏壓的條件下,P側已填滿電子的價態會越來越對正N側的空價態,電子會以反向依穿隧效應通過P-N接面能障。
技術比較
在傳統的半導體二極管中,當P-N接面順向偏壓時,元件會導通,而P-N接面逆向偏壓時,電流無法流通。不過當逆向偏壓的電壓大到逆向崩潰電壓(reverse breakdown voltage)時,又會導通。在隧道二極管中,P層和N層滲雜劑的濃度大到使逆向崩潰電壓變成0,二極管在逆向偏壓時可以導通。不過在順向偏壓時,在某個電壓區間內,會因為量子穿隧效應的影響,當電壓增加時,順向電流反而下降。這種負阻特性區間可以用作負電阻管振盪器的固態電子版本,取代四極管熱離子閥(真空管)。
應用
隧道二極管可運作在微波頻段,其頻率遠高於四極管可以達到的頻率,因此可用在振盪器以及高頻閾值(觸發)裝置上。隧道二極管的應用包括UHF電視調諧器的本身振盪器,示波器中的觸發電路,高速計數器電路,以及上昇時間非常短的脈波產生電路。1977年Intelsat V 通訊衛星接收器用了一個microstrip隧道二極管放大器前極,頻段在14–15.5 GHz。這類放大器是當時的先進技術,高頻下的性能比所有電晶體的前極都要好[13]。隧道二極管可以用做低雜訊的的微波放大器[9]:13–64。在此元件發現之後,越來越多的傳統半導體性能已超過以往使用傳統振盪器技術的性能。對於許多的應用來說,三端子的元件(例如場效應電晶體)靈活度會比只有二個極子的要大。實務應用上,隧道二極管運作需要電流只有幾個微安,電壓小於一伏特,因此是低功率設備[14]耿氏二極管的頻率運作範圍和隧道二極管類似,但可以處理較大的功率。
隧道二極管抗輻射強化的效果比其他二極管要好[來源請求]。因此適合用在高輻射的環境下(例如太空)。
壽命長
隧道二極管容易因為過熱而損壞,因此在軟釺焊時需格外注意。
隧道二極管有個著名的的特點:壽命長,1960年代製作的元件仍能運作。江崎玲於奈等人在自然期刊中提到,一般而言這類半導體元件非常穩定,若存放在室溫以下,推測其壽命是無限的。他們後來用一批製作50年的元件進行小量的測試,發現「二極管的壽命有令人滿意的結果。」。就像在一些隧道二極管樣品中所發現的一樣,鍍金鐵引腳其實會失鏽,使得對外殼短路。這問題多半可以檢查出來,這可以用維修電話電路板常用的過氧化物及醋酸來處理,內部的隧道二極管仍可以運作[15]。
相關條目
參考資料
- ^ 1.0 1.1 US 3033714,發行於1962-05-08
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ The Esaki Diode, Chapter 9 The Model 2T7 Transistor, Part I, Sony History. Sony Corporation. 1996 [2018-04-04].
- ^ The Nobel Prize in Physics 1973: Award ceremony speech. NobelPrize.org. [2023-12-17] (美國英語).
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