터널 다이오드

Tunnel diode
터널 다이오드
GE 1N3716 tunnel diode.jpg
1N3716 터널 다이오드(0.1인치 점퍼로 확장 가능)
유형수동적인
작동 원리터널링이라고 하는 양자 역학적 효과
발명된에사키 레오
쿠로세 유리코[1]
스즈키 다카시[2][3]
제1회 생산소니
핀 구성양극과 음극
전자 기호
IEEE 315-1975 (1993) 8.5.7.1.c.svg
10mA 게르마늄 터널 다이오드(Tektronix 571 곡선 트레이서의 테스트 픽스쳐에 장착)

터널 다이오드 또는 에사키 다이오드는 터널링이라고 불리는 양자역학적 효과로 인해 효과적으로 "부정 저항"을 갖는 반도체 다이오드의 일종이다.그것은 1957년 8월 레오 에사키, 쿠로세 유리코, 스즈키 다카시가 현재 [1][2][3][4]소니로 알려진 도쿄 쓰신 코교에서 일하던 시절에 발명되었다.1973년, 에사키 교수는 이 다이오드에 사용되는 전자 터널링 효과를 발견한 공로로 브라이언 조셉슨과 공동으로 노벨 물리학상을 수상했다.로버트 노이스는 윌리엄 쇼클리를 위해 일하면서 터널 다이오드를 독자적으로 고안했지만 이를 [5]추구하지 않았다.터널 다이오드는 1957년 [6]소니에 의해 처음 제조되었고, 제너럴 일렉트릭과 다른 회사들이 1960년부터 그 뒤를 이었으며,[7] 오늘날에도 여전히 저부피로 생산되고 있다.

터널 다이오드는 폭 약 10 nm(100 o)의 고농도 도프된 양의 음(P-N) 접점이 있습니다.도핑이 심하면 밴드 갭이 파손되어 N측의 전도 밴드 전자 상태가 P측의 원자가 밴드 홀 상태와 거의 일치합니다.그것들은 보통 게르마늄으로 만들어지지만, 갈륨 비소와 실리콘 물질로도 만들어질 수 있다.

사용하다

작동 범위의 일부에 있는 "음" 차동 저항은 발진기와 증폭기, 그리고 이력(hysteresis)을 사용하는 스위칭 회로에서 작동할 수 있게 합니다.또한 주파수 변환기와 검출기로도 사용됩니다.[8]: 7–35 저용량 덕분에 일반 다이오드 및 트랜지스터의 범위를 훨씬 상회하는 마이크로파 주파수에서 작동할 수 있습니다.

8~12GHz 터널 다이오드 증폭기(약 1970년)

출력 전력이 낮기 때문에 터널 다이오드는 널리 사용되지 않습니다.전압변동이 작기 때문에 RF 출력은[disambiguation needed] 수백 밀리와트로 제한됩니다.그러나 최근에는 터널링 메커니즘을 사용하는 새로운 장치가 개발되었습니다.공명 터널링 다이오드(RTD)는 모든 솔리드 스테이트 [9][dead link]발진기에서 가장 높은 주파수 중 일부를 달성했습니다.

터널 다이오드의 또 다른 유형은 금속 절연체-절연자-금속(MIIM) 다이오드로,[10] 이 다이오드를 보다 정밀하게 제어하기 위해 추가적인 절연체 층이 "스텝 터널링"을 가능하게 합니다.금속 절연체 금속(MIM) 다이오드도 있지만 내재된 민감성 때문에 현재 적용은 연구 [11]환경에 국한된 것으로 보입니다.

전방 바이어스 작동

통상적인 전방 바이어스 동작 하에서는 전압이 상승하기 시작함에 따라 제1터널의 전자가 매우 좁은 P-N 접합장벽을 통과하여 N측의 전도대역을 채우고, P-N 접합부의 P측의 빈 원자가대공 상태와 정렬한다.전압이 더 높아짐에 따라 이들 상태는 점점 더 잘못 정렬되어 전류가 감소합니다.전압 증가에 따라 전류가 감소하기 때문에 이를 부차 저항이라고 합니다.전압이 고정 전이점을 넘어 증가하면 다이오드는 전자가 P-N 접점을 통과하는 전도에 의해 이동하며 P-N 접점 장벽을 통과하는 터널링에 의해 더 이상 이동하지 않는 일반 다이오드로 작동하기 시작합니다.터널 다이오드의 가장 중요한 작동 영역은 "부극 저항" 영역입니다.이 그래프는 일반 P-N 접합 다이오드와 다릅니다.

역바이어스 작동

주요 기사: 역방향 다이오드
터널 다이오드 특성 곡선과 유사한 I 대 V 곡선.음영 전압 영역(V와2 V 사이1)에 "음"의 차동 저항이 있습니다.

역방향으로 사용할 경우 터널 다이오드는 역방향 다이오드(또는 역방향 다이오드)라고 불리며 전력신호에 대해 오프셋 전압이 0이고 선형성이 매우 높은 고속 정류기로 작동할 수 있습니다(정확한 사각 법칙 특성이 있음).역바이어스 하에서 P측의 충전 상태는 N측의 빈 상태와 점점 더 정렬되어 전자는 이제 P-N 접합 장벽을 역방향으로 터널링합니다.

기술적 비교

10mA 게르마늄 터널 다이오드의 I 대 V 곡선(Tektronix 모델 571 곡선 추적기).

기존 반도체 다이오드는 P-N 접합부가 전방 바이어스 상태일 때 도전이 일어나고, 접합부가 후방 바이어스 상태일 때 전류 흐름을 차단한다.이는 "역파괴 전압"으로 알려진 지점까지 발생하며, 이때 전도가 시작됩니다(종종 장치의 파괴를 수반함).터널 다이오드는 P층과 N층의 도판트 농도가 역파괴전압이 0이 되고 다이오드가 역방향으로 전도하는 수준까지 상승한다.그러나 전방 바이어스 시 전방 전압의 증가가 전방 전류의 감소를 수반하는 전압 대 전류 거동의 영역을 발생시키는 양자 역학적 터널링이라고 하는 효과가 발생합니다.이 "부저항" 영역은 일반적으로 4극 열전자 밸브(진공 튜브)를 사용하는 다이나트론 발진기의 솔리드 스테이트 버전에서 이용할 수 있습니다.

적용들

터널 다이오드는 사극이 가능한 주파수(마이크로파 대역까지)보다 훨씬 더 큰 주파수에서 작동하기 때문에 발진기 및 고주파 임계값(트리거) 장치로서 큰 가능성을 보였습니다.터널 다이오드의 적용에는 UHF 텔레비전 튜너용 로컬 오실레이터, 오실로스코프의 트리거 회로, 고속 카운터 회로 및 매우 빠른 상승 시간 펄스 발생기 회로가 포함됩니다.1977년 Intelsat V 위성 수신기는 14~15.5GHz 주파수 대역에서 마이크로스트립 터널 다이오드 앰프(TDA) 프론트 엔드를 사용했습니다.이러한 증폭기는 트랜지스터 기반 프런트 [12]엔드보다 높은 주파수에서 뛰어난 성능을 발휘하는 최첨단 앰프로 간주되었습니다.터널 다이오드는 저소음 마이크로파 [8]: 13–64 증폭기로도 사용할 수 있습니다.이 발견 이후 기존 반도체 소자가 기존 발진기 기술을 사용해 성능을 앞질렀다.전계효과 트랜지스터와 같은 3단자 디바이스는 단자가 2개인 디바이스보다 유연성이 높습니다.실용적인 터널 다이오드는 몇 밀리암페어 및 10분의 1볼트의 전압으로 작동하므로 저전력 [13]장치가 됩니다.건 다이오드는 유사한 고주파 기능을 가지고 있으며 더 많은 전력을 처리할 수 있습니다.

터널 다이오드는 또한 다른 [citation needed]다이오드보다 이온화 방사선에 더 강하다.따라서 우주에서 발견되는 것과 같은 고방사능 환경에 매우 적합합니다.

수명

터널 다이오드는 과열로 인해 손상되기 쉬우므로 납땜 시 각별한 주의가 필요합니다.

터널 다이오드는 1960년대에 만들어진 장치들이 여전히 작동하면서 그 수명으로 유명하다.Nature에서 쓴 글에서 Esaki와 공저자들은 반도체 소자는 일반적으로 매우 안정적이며 상온에서 보관하는 경우 저장 수명이 "무한"해야 한다고 제안합니다.그들은 50년 된 소자를 대상으로 한 소규모 테스트에서 "다이오드의 수명에 대한 만족스러운 확인"이 나타났다고 보고했습니다.에사키 다이오드의 일부 샘플에서 알 수 있듯이, 금도금된 철제 핀은 실제로 부식되어 케이스에 단락될 수 있습니다.이것은 보통 간단한 과산화물/식초 기술로 진단하고 치료할 수 있으며 전화 PCB를 수리하는 데 일반적으로 사용되며 내부 다이오드는 [14]정상적으로 작동합니다.

잉여 러시아 부품도 신뢰성이 높고, 원가가 30~50파운드임에도 불구하고 종종 몇 펜스로 구입할 수 있다.일반적으로 판매되는 유닛은 GaA 기반이며,약pk 1-20mApk I에서 5:1의 I-I 비율이므로v [15]과전류로부터 보호되어야 한다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b "Diode type semiconductor device". United States patent. 3,033,714.
  2. ^ a b Esaki, L.; Kurose, Y.; Suzuki, T. (1957). "Ge P-N Junction のInternal Field Emission". 日本物理学会年会講演予稿集. 12 (5): 85.
  3. ^ a b "Chapter 9: The Model 2T7 Transistor". www.sony.net. Sony History. Sony Global. Retrieved 4 April 2018.
  4. ^ Esaki, Leo (15 January 1958). "New Phenomenon in Narrow Germanium p−n Junctions". Physical Review. 109 (2): 603–604. Bibcode:1958PhRv..109..603E. doi:10.1103/PhysRev.109.603.
  5. ^ Berlin, Leslie (2005). The Man Behind the Microchip: Robert Noyce and the Invention of Silicon Valley. Oxford, UK: Oxford University Press. ISBN 0-19-516343-5.
  6. ^ ソニー半導体の歴史 (in Japanese). Archived from the original on 2 February 2009.
  7. ^ Rostky, George. "Tunnel diodes: the transistor killers". EE Times. Archived from the original on 7 January 2010. Retrieved 2 October 2009.
  8. ^ a b Fink, Donald G., ed. (1975). Electronic Engineers Handbook. New York, NY: McGraw Hill. ISBN 0-07-020980-4.
  9. ^ Brown, E.R.; Söderström, J.R.; Parker, C.D.; Mahoney, L.J.; Molvar, K.M.; McGill, T.C. (18 March 1991). "Oscillations up to 712 GHz in InAs/AlSb resonant-tunneling diodes" (PDF). Applied Physics Letters. 58 (20): 2291. Bibcode:1991ApPhL..58.2291B. doi:10.1063/1.104902. ISSN 0003-6951.
  10. ^ Conley, John (4 September 2013). "Electronics advance moves closer to a world beyond silicon". OSU College of Engineering.
  11. ^ "The MIM diode: Another challenger for the electronics crown". SciTechStory. 19 November 2010. Archived from the original on 24 December 2016. Retrieved 4 January 2017.
  12. ^ Mott, R.C. (November 1978). "Intelsat V 14 GHz tunnel diode noise figure study". COMSAT Technical Review. 8: 487–507. Bibcode:1978COMTR...8..487M. ISSN 0095-9669.
  13. ^ Turner, L.W., ed. (1976). Electronics Engineer's Reference Book (4th ed.). London, UK: Newnes-Butterworth. pp. 8–18. ISBN 0-408-00168-2.
  14. ^ Esaki, Leo; Arakawa, Yasuhiko; Kitamura, Masatoshi (2010). "Esaki diode is still a radio star, half a century on". Nature. 464 (7285): 31. Bibcode:2010Natur.464Q..31E. doi:10.1038/464031b. PMID 20203587.
  15. ^ "Russian tunnel diodes". w140.com. TekWiki. Retrieved 4 April 2018.

외부 링크

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