10mA的鍺隧道二極體,裝在Tektronix 571曲線追蹤儀 的量測用端子上
隧道二極體 (英語:Tunnel Diode ),又稱江崎二極體 、穿隧效應二體 、穿隧二極體 、透納二極體 是一種有負阻特性 的二極體 ,其負阻特性來自量子穿隧效應 。隧道二極體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,獲得诺贝尔物理学奖 [ 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體的想法,但沒有繼續進行研究[ 6] 。隧道二極體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] ,後來通用电气 和其他公司在1960年代製造,目前仍有少量生產[ 8] 。
此種二極體是由高摻雜的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側的导带 电子排布 和P側的價帶 电子排布 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
隧道二極體在其部份工作範圍內存在負阻特性 ,可以可以用作电子振荡器 以及放大器 ,以及用在利用遲滯現象 的交流電路 (switching circuit)裡。隧道二極體也用做混频器 以及無線電探測器 [ 9] :7–35 。隧道二極體的電容 量低,可以工作在微波 頻率下,這是一般的二極體以及晶体管 無法運作的條件。
8–12 GHz隧道二極體放大器,約在1970年
隧道二極體的輸出功率低,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。谐振隧穿二极管 (RTD)的工作頻率已達到固态电子器件 振盪器的最高頻率[ 10] 。
另一種隧道二極體是金屬—絕緣體—絕緣體—金屬(MIIM)二極體,加上一層絕緣層,可以step tunneling,更精準的控制二極體[ 11] 。也有存在金屬—絕緣體—金屬 (MIM)二極體,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,隧道二極體就會像一般的二極體一樣運作,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體不同。
逆向偏壓運作
隧道二極體的I V 特性曲線圖。在V 1 和V 2 之間的灰色電壓區域有負電阻特性
隧道二極體用在逆向偏壓下,稱為反向二極體 (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
10 mA 鍺隧道二極體的I -V 曲線,是由Tektronix model 571 曲線追蹤儀所繪製
在傳統的半導體二極體中,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。在隧道二極體中,P層和N層滲雜劑的濃度大到使逆向崩潰電壓變成0,二極體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,取代四极管 熱離子閥(真空管 )。
應用
隧道二極體可運作在微波頻段,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。隧道二極體的應用包括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隧道二極體放大器前極,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] 。隧道二極體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,隧道二極體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] 耿氏二极管 的頻率運作範圍和隧道二極體類似,但可以處理較大的功率。
隧道二極體抗輻射強化 的效果比其他二極體要好[來源請求] 。因此適合用在高輻射的環境下(例如太空)。
壽命長
隧道二極體容易因為過熱而損壞,因此在軟釺焊時需格外注意。
隧道二極體有個著名的的特點: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「二極體的壽命有令人滿意的結果。」。就像在一些隧道二極體樣品中所發現的一樣,鍍金鐵引腳其實會失锈,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,內部的隧道二極體仍可以運作[ 15] 。
相關條目
參考資料
^ 1.0 1.1 US 3033714 ,发行于1962-05-08
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外部連結