隧道二极管（Esaki）：定义、工作原理和示例，例如 1N3716

你有没有想过，那些让高速设备能够在几毫秒内完成任务的电子元件是如何工作的？答案或许在于现代电子技术中最奇特、最迷人的元素之一： 隧道二极管，也称为 江崎二极管这种设备虽然在传统电子产品中不太常见，但却具有独特的特性，使其在高频和高速应用中发挥关键作用。

在本文中，我们将深入探讨隧道二极管的起源、量子操作、构成材料、独特的电气特性、优势和局限性以及当前的应用。我们还将回顾一些具体的模型，例如 1N3716 ØEL 1N3755准备好了解为什么这个微小的组件会彻底改变这个行业，以及尽管它有局限性，但它仍然是尖端技术中不可或缺的一部分。

什么是隧道二极管或 Esaki 二极管？

El 隧道二极管， 也叫 江崎二极管 以其发明者江崎良夫 (Leo Esaki) 的名字命名，江崎良夫于 1973 年获得诺贝尔物理学奖，是一种特殊类型的半导体二极管，其特点是 重掺杂PN结 并且很窄。这种强掺杂允许一种量子力学现象，称为 隧道效应，即使按照经典定律，电荷载流子不应该跨越势垒。

与标准信号二极管相比，其 PN 结的杂质浓度明显较低（约为 1⁸），隧道二极管的掺杂程度极高，大约 十分之一³。这产生了一个 极其狭窄的枯竭或贫瘠地带，这是隧道效应显现的关键。

工作原理：量子隧道效应

一个操作 隧道二极管 它以量子力学为基础，其中存在一个有限的概率，即电子虽然从传统观点来看没有足够的能量跨越势垒，但可以像“隧穿”势垒一样穿过势垒。 隧穿概率 势垒越低，其值就越大，这恰恰是通过二极管 PN 结中高浓度的掺杂剂实现的。

从数学上讲，粒子穿越障碍的概率 P 取决于 势垒能量 （Eb）从他的 宽度 (宽):
P α exp(-A × Eb × W)
其中 A 是与材料性质相关的常数。关键在于，在隧道二极管中，这个势垒非常薄，即使低于理论值的能量也足以让电子穿过它。

结构和材料：超越硅

与传统的硅二极管不同， 隧道二极管 它们通常由 锗, 加里奥阿塞尼乌罗 o 锑化镓不使用硅的原因是，上述材料能够实现最大电流（峰值电流）和最小电流（谷值电流）之间的更佳比例，这对于元件的实际应用至关重要。普通的PN结具有相当厚的耗尽区；而在隧道二极管中，该区域的厚度要窄100倍，约为10纳米。

La 杂质浓度高 PN结两侧的电荷载流子（电子和空穴）数量较多，即使在非常小的电位差下也容易发生隧道效应。因此，它是一种极其灵敏的器件，适用于超快速开关。

电气特性：负电阻和VI曲线

之一的 最显着的特征 隧道二极管的特点是 负电阻 在其电压-电流 (VI) 特性曲线的一部分中。这意味着，随着正向电压的增加，电流首先迅速增加，直至达到最大值（峰值点），但随后，如果电压进一步增加，电流会下降到最小值（谷点），然后像传统二极管一样再次增加。

这种现象， 负阻力区是许多隧道二极管应用的基础，例如产生高频振荡。其特性曲线可概括为以下几个关键点：

• 初始导电区：电流随直流电压的增加而增大。
• 峰值点：最大电流（Ip）和相关电压（Vp）。
• 负阻区：电压增加，电流却减小，直至到达谷点。
• 谷点：最小电流（Iv）和谷电压（Vv）。
• 从这里开始，其行为与普通二极管类似。

在反向偏置时， 隧道二极管 由于隧道效应，它还具有显著的导电性，即使在低电压下也能允许高反向电流流通。

电气符号和等效电路

El 符号学 隧道二极管在电气原理图中的表示可能略有不同，但本质上是一个具有独特形状的PN结，以标记其特殊行为。阳极(P)和阴极(N)明显区分。

为 电路分析，采用小信号等效模型，包括：

• 一 负电阻（-R_o) 与负阻区域相关。
• 一 串联电感（L_s) 跨接二极管端子。
• 一 结电容（C）.

这些元素的组合反映了隧道二极管在高频应用中的行为，对于预测其在不同条件下的响应至关重要。

隧道二极管的主要应用

因为他 快速改变驾驶状态的非凡能力，隧道二极管特别适用于：

• 微波和高频振荡器：它们利用负阻区来产生和维持稳定的电振荡，这对于电信、雷达和无线系统至关重要。
• 反射放大器：用于传统晶体管无法正常工作的频率下需要放大的配置中。
• 高速开关：这得益于其在驾驶状态和非驾驶状态之间几乎即时的转换。
• 变频器：它能够在正向和反向偏置下运行，因此可以用于信号混频器。
• 数字电路中的逻辑存储器：其在负阻力区的稳定性用于信息的临时存储。

虽然它们具有高频优势， 不适合常规矫正 由于反向偏置漏电流较大，限制了它的广泛使用。

隧道二极管的优缺点

El 隧道二极管 它具有独特的属性，其优点和缺点都应考虑在内。其优点包括： 超快的运行速度 y 低噪声然而，它也有局限性，例如 最大功率低 以及工作电压的限制。

• 优点:
  • 超高运行速度，适用于微波频段的切换和信号产生。
  • 制造成本低 与其他高频设备相比，其结构更为简单。
  • 噪音低 持续时间。
  • 良好的环境免疫力 由于其结构坚固，使用寿命长。
• 缺点:
  • 最大功率低，使其不适合能源密集型应用。
  • 限制电压输出 以及输出信号的波动。
  • 输入和输出之间没有隔离 是一个双端设备。
  • 规模化生产困难 以及一些标准应用中的局限性。

型号和示例：隧道二极管 1N3716 和 1N3755

在历史最悠久、最常用的模型中 隧道二极管 脱颖而出 1N3716 y 1N3755，在微波实验室、电信站和原型设计中很受欢迎。两者均具有允许非常高的工作频率，并在负阻区域有效响应的特点。 了解肖特基二极管等特定类型的知识 可以补充在特定情况下对这些设备的理解。

El 1N3716 它呈现出隧道二极管的典型特性曲线，峰值电压相对较低，并且具有针对微波应用和快速开关的最佳响应速度。就其本身而言， 1N3755 它提供类似的规格，但在工作电压和电流范围等细节上有所不同，从而允许其在特定的高频电子配置中使用。

与其他类型二极管的比较

二极管的世界有各种各样的变体，例如信号二极管、齐纳二极管、肖特基二极管或整流二极管。 隧道二极管 其主要区别在于：

• 对整改无用 由于较高的反向偏置漏电流。
• 能够更快地改变状态 比肖特基或其他高速二极管。
• 显示一个区域 非常明显的负电阻 （其余常见二极管中不存在）。
• 要求 特定材料和掺杂 以实现其最佳功能，与通常的二极管的硅不同。

这些特性使得隧道二极管在其他器件无法竞争的领域中独树一帜，尽管其在消费电子产品中的应用有限。

详细操作：循环 VI 的阶段

为了了解其行为，必须分析其特性曲线的每个阶段：

• 通过施加小的直流电压，电荷载流子由于隧道效应穿过结，产生较低的电流。
• 随着紧张局势的加剧，价带和导带重叠，引起电流迅速增加，直至达到峰值点。
• 高峰过后，能带的错位会减少隧穿效应，从而降低流向谷点的电流。
• 随着紧张局势持续升级，其行为类似于传统连接点，电流再次上升。
• 反向偏压下，尽管最大反向电压通常较低，但隧道效应仍然允许显著的电流通过。

使用条件和操作限制

El 隧道二极管 可以承受相对较高的直流电压，有些型号甚至高达 500 V，但其 最大反向电压（PIV） 它通常较低，最常见的情况是40 V左右。务必牢记这一限制，以免造成损坏。

之间的关系 峰值电流 和 山谷电流 它是选择正确模型的关键参数，特别是在振荡器和放大器应用中，在负阻区域需要稳定性和信号幅度。

隧道二极管的日常使用情况

尽管其用途受到限制， 隧道二极管 位于：

• 微波通讯设备。
• 高频计。
• 电子物理实验室中的信号源。
• 需要纳秒响应的雷达系统。

尽管引入了新技术和新材料，但它们的速度和可靠性使它们在某些专业领域仍然具有相关性。