Tünel Diyot Nedir?

Çok hızlı anahtarlama yeteneğine sahip olan tünel diyotlar radyolarda, anahtarlama devrelerinde, osilatörlerde vb. yüksek hız isteyen birçok devrede kullanılmaktadır. Bu yazımızda tünel diyotların çalışma prensibini, özelliklerini ve uygulama alanlarını inceledik.

A- A+

30.04.2016 tarihli yazı 23083 kez okunmuştur.

Tünel diyotlar, yüksek kapasitelerde işlem yapabilen ve çok katkılı bir yarı iletkendir. Leo ESAKİ 1957 yılında tünel diyodu icat etti. Germanyum malzeme temelde tünel diyot yapmak için kullanılır. Bunun yanı sıra GaAs ve Si da tünel diyot yapmak için kullanılabilir. Aslında tünel diyotlar, frekans algılama ve çevirmek için kullanılır. Tünel diyot çalışma aralığı negatif bir direnç sergiler. Bu nedenle anahtarlama, osilasyon ve yükselteç devrelerinde kullanılır.

Tünel Diyotun Çalışma Prensibi

Tünel diyot bir P-N eklemi cihazıdır. Aynı zamanda da negatif dirence sahiptir. Gerilim arttığında akan akım azalır ve tünel etkisi prensibine göre çalışır. Tünel diyot, Metal-Yalıtkan-Diyot’un (MIM) bir türüdür.

Tünel diyotta çok sayıda katkılanmış atomlar olduğundan, dışarıdan verilen enerji ile düz gerilimleme yaparak n tipi yani katotdan eklem bölgesine giden elektronlar, bariyere doğru hareket etmesi sağlanmış olunur. Tünel diyodun eklem ya da bariyer kısmı çok ince olduğundan Schrödinger’ın denklemine göre yapıda ter eğimleme olsa dahi elektron geçmesine izin verilmiş olunur. Bu işlem elektronlar üzerinde herhangi bir enerji kaybı olmadan gerçekleşir. İşte bu kuantum mekaniksel davranış ile tünel etkisi açıklanmış olunur. Yüksek katkılı P-N eklemi olan cihazlara bir nevi tünel diyot ismi verilmiş olundu. Tünel etkisi çoğunluk taşıyıcılı bir etki sağlar.

Bu denklemde:

Eb: Bariyerin Enerjisi
P: Bariyer engelini geçme ihtimali
W: Bariyerin genişliği
A: Katsayı

Tünel Diyotun Genel Yapısı

Diyot üzerinde seramik bir gövde ve sızdırmaz bir kapağı vardır. Birleşme noktasına bağlı GaSb, GaAs veya Ge bulunmaktadır. Anottaki kontakt ısı artmasını engellemek içindir. Karışık ekran eklemi denilen yer osilatör devrelerinde bobinin indüktansını azaltmak için kullanılır.

►İlginizi Çekebilir: Osilatör Nedir? 1. Bölüm | ElektrikPort Akademi

İleri Gerilimleme Durumu;
Gerilim arttıkça akım düşecektir. Bu da bir ters direnç ortaya koyar. Aynı P-N diyodu gibi çalışır. Fakat negatif direnç bölgesi tünel diyot için en önemli çalışma bölgesidir. Tünel diyot ve normal P-N eklem diyot özellikleri bazı yönlerden birbirinden farklıdır.

Ters Gerilimleme Durumu;
Ters gerilimleme durumunda tünel diyot aynı bir P-N diyodu gibi çalışır. Sıfır ofset gerilimi ile hızlı bir doğrultucu olarak hareket edebilir. N tipi maddedeki çoğunluk taşıyıcılar yani elektronlar bariyere doğru hareket ederek bariyerde birikip tünel etkisi ortaya çıkar ve yüksek katkılama konsantrasyonu nedeniyle, tünel diyot mükemmel bir iletken gibi davranır.

►İlginizi Çekebilir: Güç Elektroniği Elemanları

İleri direnç tünel etkisi nedeniyle çok küçüktür. Gerilimle akımın lineer artması sonucunda akımda bir pik oluşur. Fakat gerilim pik değerden de artmaya devam ederse akımın düşmesine neden olacaktır. Bu negatif direnç bölgesi ‘B’ noktasına kadar hakim olur. Bundan sonra tünel diyot normal bir diyot gibi davranır. ‘B’ noktasına aynı zamanda valley point (valley noktası) denir. A ile B arasına da negatif direnç bölgesi denir.

Tünel Diyot için Akım İfadeleri

Burada;

Idoyum: Ters doyum akımı
Vt: Voltaj sıcaklık eşdeğeri
V: Diyot üzerindeki gerilim
n: Düzeltme Faktörü, Ge için 1 ve Si için 2 alınır.

Tünelleme veya tünel etkisi akım ifadesi:

Burada;

Vo: 0.1-0.5 volt aralığında alınır.
m: 1-3 aralığında alınır.
Ro: Tünel diyotun direnci

Tünel Diyot İçin Pik Akım ve Pik Gerilim İfadeleri

Bir tünel diyot pik gerilimi ve pik akımı maksimum değerlidir. Genellikle bir Tünel için kesim voltajı pik geriliminden daha fazladır. Aşırı akım ve diyotun akımı ihmal edilebilir olarak alabiliriz.

Normal diyot için minumum veya maksimum akım ifadeleri,

Tünel Diyotta Maksimum Negatif Direnç;

Tünel Diyotun Uygulama Alanları

► Formun üstü tünelleme etkisi ile yüksek hızlı anahtarlama devreleri kurulur. Anahtarlama süreleri nanosaniye hatta pikosaniyeye kadar düşmektedir.
► Yüksek değerlikli, eğimli akım sayesinde dijital depolama aygıtlarında kullanılır. Örneğin mikrodalga osilatörü 10GHz seviyelerinde çalışmaktadır.
► Negatif direnç sebebiyle gevşemeli osilatör devrelerinde kullanılabilir.

Tünel Diyotun Avantajları

► Düşük maliyetli
► Düşük gürültülü
► Kullanım kolaylığı
► Yüksek hız
► Düşük güç
► Nükleer radyasyondan etkilenmeme
► Uzun ömürlü
► Kolay fabrikasyon