隧道二極體

一种可以高速切换的半导体

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],後來奇異和其他公司在1960年代製造,目前仍有少量生產[8]

隧道二極體
Tunnel diode
1N3716隧道二極體(旁邊2.54mm的jumper是比例尺)
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
針型陽極陰極
10mA的鍺隧道二極體,裝在Tektronix 571曲線追蹤儀英語Curve tracer的量測用端子上

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,可以可以用作電子振盪器以及放大器,以及用在利用遲滯現象交流電路英語switching circuit(switching circuit)裡。隧道二極體也用做混頻器以及無線電探測器英語detector (radio)[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電晶體無法運作的條件。

 
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。諧振隧穿二極體(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—金屬英語metal-insulator-metal(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

在一般順向偏壓英語forward bias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V1V2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,稱為反向二極體英語Backward diode(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英語square-law detector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英語dynatron oscillator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英語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]耿氏二極體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,內部的隧道二極體仍可以運作[15]

相關條目

參考資料

  1. ^ 1.0 1.1 US 3033714,發行於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] (美國英語). 
  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. (原始內容存檔於2009-02-02) (日語). 
  8. ^ Rostky, George. Tunnel diodes: the transistor killers. EE Times. [2 October 2009]. (原始內容存檔於7 January 2010). 
  9. ^ 9.0 9.1 Fink, Donald G. (編). 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. (原始內容 (PDF)存檔於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]. (原始內容存檔於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. (編). 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 . 

外部連結