Tünel Diyot
Resim 1: Tünel diyot devre simgesi
1958 yılında Japon bilim adamı Leo Esaki aşırı katkılanmış (doped) bir yarıiletkenin bir negatif iç dirence sahip olabileceğini keşfetti. „Normal“ bir yarıiletken katkılanmış bir taban kristalde 10 milyon kristal atomuna karşılık bir adet katışkı (impurity) atomu bulunur. Bu tür hayli zayıf katkı bir geniş tükenim bölgesini (depletion region) yaratır. İletim, ancak değerlik elektronlarının yasak bölgeyi geçmesine yetecek büyüklükte bir gerilim uygulandığında meydana gelir.
bölgesi
Resim 2: Bir tünel diyotun karakteristiği.
bölgesi
Resim 2: Bir tünel diyotun karakteristiği.
(İpucu: Farenin imleci ile kırmızı eğriyi takip ediniz!)
Bir tünel diyotta 10 milyon taban kristal atomuna karşılık 1000 adet kadar katışkı (impurity) atomu bulunur. Bu kuvvetli katkılama sonucunda zener diyotlarda olduğu gibi, tükenim bölgesinin eni çok daralır. Ancak bu kuvvetli katkılama sonucunda normal bir yarıiletken diyottan farklı olan, alışılmışın dışında bir karakteristik eğri biçimi ortaya çıkar. Resim.2 de bir tünel diyotun akım-gerilim karakteristiği görülmektedir.
Bu karakteristik eğri üç bölüme ayrılabilir:
- Çok küçük miktardaki öngerilimler de bile (ki bu bölgede bir normal diyotta akım akmaz) belirli bir IP tepe noktasına kadar akım artar.
- Bu noktadan sonra öngerilim yükseltildiğinde akım azalmaya başlar ve bu, bir en küçük nokta olan IV vadi noktasına inene kadar sürer.
- Ardından akım, öngerilim ile orantılı olarak artar.
Eğrinin IP ve IV (tepe ve vadi) noktaları arasında kalan bölümünde tünel diyot bir negatif direnç gibi davranır. Bu olay, zener etkisinde olduğu gibi, yine enerji bantları modeli yardımıyla açıklanabilir.
p-malzemesi
n-malzemesi
bölge
bölge
Resim 3: Öngerilim uygulanmamış bir tünel diyota ait enerji bantları modeli
p-malzemesi
n-malzemesi
bölge
bölge
Resim 3: Öngerilim uygulanmamış bir tünel diyota ait enerji bantları modeli
Bir tünel diyotun tükenim bölgesinin (keza, yasak bölgenin) eni oldukça incedir ve bu değer birkaç mikron civarındadır. Kuantum mekaniksel tünel etkisinin modellemesine göre, elektronlar yeterince enerji sahibi olmadıklarından dolayı geçemedikleri bu enerji engelini bir tünelden geçer gibi geçerler.
Resim. 3 te herhangi bir öngerilim uygulanmamış bir tünel diyot görülüyor. p-malzemenin değerlik bandı elektronları ile n-malzemenin iletim bandı elektronları kısmen örtüşmektedir. Bazı yük taşıyıcıları, bu nedenle p-malzemenin değerlik bandından n-malzemenin iletim bandına girebilir. Ama çoğunluk taşıyıcılarının (elektronlar) ve deliklerin her iki yönde hareket etmeleri nedeniyle herhangi bir akım oluşmaz.
p-malzemesi
n-malzemesi
bölge
bölge
Resim 4: 200 mV öngerilim uygulanmış bir tünel diyotun enerji bantları modeli
p-malzemesi
n-malzemesi
bölge
bölge
Resim 4: 200 mV öngerilim uygulanmış bir tünel diyotun enerji bantları modeli
Resim.4 te 200 mV gibi bir küçük öngerilimin uygulandığı bir tünele diyota ait bant modeli görülüyor. Bu seviyedeki öngerilimle n-tipi yarı iletkenin iletim bandındaki elektronlar p-malzemenin değerlik bandına girebilirler, ama tükenim bölgesini (yasak bölge) geçmek için enerjileri yetmez. Ancak her iki yarıiletkene ait buna rağmen enerji seviyeleri örtüştüğü sürece bir akım halâ akabilir, bununla birlikte: bu öngerilim ne kadar yüksek olursa, yasak bölge de o kadar küçük olur.
p-malzemesi
n-malzemesi
bölge
Resim 5: 400 mV öngerilim uygulanmış bir tünel diyotun enerji bantları modeli
p-malzemesi
n-malzemesi
bölge
Resim 5: 400 mV öngerilim uygulanmış bir tünel diyotun enerji bantları modeli
Resim 5 te bu sefer öngerilimin 400 mV a yükseltilmiş olduğu durum görülüyor, p-malzemenin değerlik bandı ile n-malzemenin iletim bandı birbirleri ile örtüşmemektedir, yani bir tünel akımı artık söz konusu değildir. IP tepe noktasından, IV vadi noktasına kadar olan bölümde örtüşen bu bölge artan öngerilim ile gittikçe daralır. Artan öngerilim ile gittikçe azalan bu elektronlar p-malzemenin iletim bandına girebilirler. Bunun anlamı şudur: Bu bölgede tünel diyot bir negatif direnç gibi davranmaktadır.
Öngerilim daha da yükseltilirse, artık enerji bantları örtüşmez. Tükenim bölgesi eni o kadar daralmıştır ki, elektronlar bir normal pn-birleşiminde olduğu gibi davranır.
Bir tünel diyotun bu negatif direnç bölgesi en önemli ve en çok kullanılan özelliğidir. Bu negatif dirençle bölgesine uygun büyüklükte bir doğru öngerilim uygulanmış tünel diyotlar çalışan salınım devrelerini sönümleyebilir ve osilatör veya yükselteç devrelerinde kullanılabilirler. Kuantum mekaniksel tünel etkisi ile herhangi bir yürütme zamanı olmadığından, tünel diyot yüksek frekans tekniği için uygundur.