www.radartutorial.eu Radar Temelleri

Tünel Diyot

Tünel diyot simgesi görülüyor

Resim 1: Tünel diyot simgesi görülüyor

1958 yılında Japon bilim adamı Leo Esaki aşırı katkılanmış (doped) malzemelerin negatif bir dirence sahip olabileceğini keşfetti. „Normal” katkılanmış bir kristalde 10 milyon kristal atomuna karşılık bir adet katışkı (impurity) atomu bulunur. Bu tür zayıfça katkılanmış yarıiletkenin kıtlık bölgesinin (depletion region) eni dardır. İletim ancak valans elektronlarının yasak bölgeyi geçmesine yetecek büyüklükte bir gerilim uygulandığında meydana gelir. Resim 1 de tünel diyot simgesi görülüyor.

Negatif direnç
bölgesi

Resim 2: Bir tünel diyot karakteristik.

Negatif direnç
bölgesi

Resim 2: Bir tünel diyot karakteristik.

Bir tünel diyotta 10 milyon kristal atomuna karşılık 1000 adet kadar katışkı atomu bulunur. Bu kuvvetli katkılama sonucunda zener diyotlarda olduğu gibi, kıtlık bölgesinin eni çok daralır. Ancak bu kuvvetli katkılama sonucunda normal diyotlarda görmediğimiz, alışılmışın dışında Resim.2 de gördüğümüz bir akım-gerilim karakteristiği ortaya çıkar.

Bu eğriyi üç bölümde inceleyebiliriz:

  1. Küçük miktarda ki ön gerilim bölgesinde (ki bu bölgede normal diyotta akım akmaz) belirli bir IP tepe noktasına kadar akım artar.
  2. Bu noktadan sonra ön gerilim yükseltildiğinde akım azalmaya başlar ve bu bir minimum vadi IV noktasına kadar sürer.
  3. Bundan sonra akım ön gerilim artışına uygun olarak doğrusal biçimde yeniden yükselmeye başlar.

Eğrinin tepe ve vadi noktaları arasında kalan bölümünde tünel diyot bir negatif direnç gibi davranır. Bu olay yine enerji bantları modeli yardımıyla açıklanabilir.

iletim bandı
p-yarıiletkeni
iletim bandı
n-yarıiletkeni
kıtlık
bölgesi
kıtlık
bölgesi
valans bandı
valans bandı

Resim 3: Ön gerilim uygulanmamış bir tünel diyota ait enerji bantları modeli.

iletim bandı
p-yarıiletkeni
iletim bandı
n-yarıiletkeni
kıtlık
bölgesi
kıtlık
bölgesi
valans bandı
valans bandı

Resim 3: Ön gerilim uygulanmamış bir tünel diyota ait enerji bantları modeli.

Bir tünel diyotun kıtlık bölgesi (keza yasak bölgesi) oldukça incedir ve bu değer bir mikron civarındadır. Tünel etkisinin kuantum mekaniksel modellemesinde göre; elektronlar yeterince enerji sahibi olmadıklarından, tünel geçişinde olduğu gibi, kolayca bu enerji sıçramasını başaramazlar.

Resim 3 te herhangi bir ön gerilim uygulanmamış bir tünel diyot görülüyor. p-tipi yarıiletkenin valans bandı elektronları ile n-tipi yarıiletkenin iletim bandı elektronları kısmen örtüşmektedir. Ama çoğunluk taşıyıcılarının (elektronlar) ve deliklerin zıt yönde hareket etmeleri nedeniyle herhangi bir akım oluşmaz.

iletim bandı
p-yarıiletkeni
iletim bandı
n-yarıiletkeni
kıtlık
bölgesi
kıtlık
bölgesi
valans bandı
valans bandı

Resim 4: 200 mV ön gerilim uygulanmış bir tünel diyota ait enerji bantları modeli.

iletim bandı
p-yarıiletkeni
iletim bandı
n-yarıiletkeni
kıtlık
bölgesi
kıtlık
bölgesi
valans bandı
valans bandı

Resim 4: 200 mV ön gerilim uygulanmış bir tünel diyota ait enerji bantları modeli.

Resim 4 te 200 mV gibi küçük ön gerilimin uygulandığı bir tünele diyota ait bant modeli görülüyor. Bu seviyedeki ön gerilimle p-tipi yarıiletkenin valans bandı elektronları n-tipi yarı iletkenin iletim bandına girebilirler, ama yasak bölgeyi geçmek için enerjileri yetmez. Ancak her iki yarıiletkene ait ortak enerji seviye bölgesi var olduğu sürece bir akım meydana gelebilir. Fakat ön gerilim yükseltildikçe iki yarıiletkene ait valans ve iletim bantlarının örtüşen bölgesi daralmaya başlayacaktır.

iletim bandı
p-yarıiletkeni
iletim bandı
n-yarıiletkeni
kıtlık
bölgesi
kıtlık bölgesi
valans bandı
valans bandı

Resim 5: 400 mV ön gerilim uygulanmış bir tünel diyota ait enerji bantları modeli

iletim bandı
p-yarıiletkeni
iletim bandı
n-yarıiletkeni
kıtlık
bölgesi
kıtlık bölgesi
valans bandı
valans bandı

Resim 5: 400 mV ön gerilim uygulanmış bir tünel diyota ait enerji bantları modeli

Resim 5 te bu sefer ön gerilimin 400 mV a yükseltilmiş olduğu durum görülüyor. Artık p-yarıiletkenin valans bandı ile n-tipi yarıiletkenin iletim bandı birbirleri ile örtüşmemektedir, yani bir bir tünel akımı söz konusu değildir. IP tepe noktasından, IV vadi noktasına kadar ki bölümde bu örtüşen bölge git gide daralır ve bunun sonucunda elektronların daha az tünel geçişi yapar, yani akım azalır. Bunun anlamı şudur: Bu bölgede tünel diyot negatif direnç karakteristiği göstermektedir.

Ön gerilim daha da yükseltilirse, örtüşen bölge kalmayacaktır. Kıtlık bölgesi eni daralacağından elektronlar bir normal pn-kavşağında olduğu gibi davranacaktır.

Negatif direnç bölgesi tünel diyotun en önemli ve en çok kullanılan özelliğidir. Negatif direnç bölgesine uygun büyüklükte bir doğru ön gerilim uygulanmış tünel diyotlar geniş frekans aralıklarında çalışan osilatör ve yükselteç devrelerinde kullanılırlar. Tünel diyotlar, kuantum mekaniksel tünel etkisinin geçiş süresinin olmaması ve sinyalde bir bozunum oluşmaması nedeniyle yüksek frekans tekniğinde çok sık kullanılırlar.