Diodo túnel (Esaki): definição, funcionamento e exemplos como o 1N3716

Você já se perguntou como funcionam os componentes eletrônicos que permitem que dispositivos de alta velocidade executem tarefas em milissegundos? A resposta pode estar em um dos elementos mais peculiares e fascinantes da eletrônica moderna: o diodo túnel, também conhecida como Diodo EsakiEste dispositivo, embora menos comum na eletrônica convencional, possui propriedades únicas que lhe conferem um papel fundamental em aplicações de alta frequência e alta velocidade.

Neste artigo, vamos nos aprofundar no mundo dos diodos de túnel, sua origem, seu funcionamento quântico, os materiais de que são feitos, suas características elétricas distintas, vantagens e limitações, bem como suas aplicações atuais. Também revisaremos modelos específicos, como o 1N3716 ou 1N3755Prepare-se para descobrir por que esse pequeno componente revolucionou a indústria e como, apesar de suas limitações, ele continua essencial em tecnologias de ponta.

O que é um diodo túnel ou diodo Esaki?

El diodo túnel, também chamado Diodo Esaki nomeado em homenagem ao seu inventor Leo Esaki, que recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1973, é um tipo especial de diodo semicondutor que se caracteriza por sua junção PN altamente dopada e estreito. Essa dopagem intensa permite um fenômeno mecânico quântico conhecido como efeito túnel, por meio do qual os portadores de carga atravessam a barreira de potencial mesmo quando, de acordo com as leis clássicas, não deveriam fazê-lo.

Em comparação com os diodos de sinal padrão, cuja junção PN tem uma concentração de impurezas significativamente menor (cerca de 1 parte em 10⁸), o diodo túnel leva a dopagem a níveis extremos, com aproximadamente 1 parte em 10³. Isso produz um zona extremamente estreita de esgotamento ou empobrecimento, que é fundamental para que o efeito túnel se manifeste.

Princípio de funcionamento: efeito de tunelamento quântico

A operação de um diodo túnel Ela se baseia na mecânica quântica, onde há uma probabilidade finita de que os elétrons, embora não tenham energia suficiente para atravessar uma barreira de potencial do ponto de vista clássico, possam atravessá-la como se estivessem fazendo um "tunelamento" através dela. probabilidade de tunelamento aumenta quanto menor for a barreira, o que é conseguido justamente com uma alta concentração de dopantes na junção PN do diodo.

Matematicamente, a probabilidade P de uma partícula atravessar uma barreira depende exponencialmente de ambos energia de barreira (Eb) a partir de sua largura (C):
P α exp(-A × Eb × W)
Onde A é uma constante relacionada às propriedades do material. A questão é que, no diodo túnel, essa barreira é tão fina que mesmo uma energia menor que a teórica é suficiente para que os elétrons a atravessem.

Construção e materiais: além do silício

Ao contrário dos diodos de silício convencionais, diodos de túnel Eles geralmente são feitos com germânio, arsenieto de gálio o antimoneto de gálioA razão para não utilizar silício é que os materiais mencionados permitem uma melhor relação entre a corrente máxima (corrente de pico) e a corrente mínima (corrente de vale), essencial nas aplicações práticas do componente. Uma junção PN normal tem uma região de depleção de espessura considerável; no diodo túnel, essa região é até 100 vezes mais estreita, em torno de 10 nanômetros.

La alta concentração de impurezas em ambos os lados da junção PN significa que a maioria dos portadores de carga (elétrons e lacunas) estão presentes em grandes quantidades, favorecendo o efeito de tunelamento mesmo com diferenças de potencial muito pequenas. Consequentemente, torna-se um dispositivo extremamente sensível, adequado para comutação ultrarrápida.

Características elétricas: Resistência negativa e curvas VI

Um dos características mais marcantes do diodo túnel é que ele mostra resistência negativa em uma parte de sua curva característica tensão-corrente (VI). Isso significa que, à medida que a tensão direta aumenta, a corrente inicialmente aumenta rapidamente até atingir um máximo (ponto de pico), mas então, se a tensão aumentar ainda mais, a corrente diminui até um mínimo (ponto de vale) e, em seguida, aumenta novamente, como em um diodo convencional.

Este fenômeno, o zona de resistência negativa, é a base para muitas aplicações de diodos de túnel, como a geração de oscilações de alta frequência. A curva característica pode ser resumida nos seguintes pontos-chave:

• Zona de condução inicial: a corrente aumenta com o aumento da tensão contínua.
• Ponto de pico: corrente máxima (Ip) com uma tensão associada (Vp).
• Zona de resistência negativa: a corrente diminui mesmo que a tensão aumente, até atingir o ponto de vale.
• Ponto de vale: corrente mínima (Iv) com tensão de vale (Vv).
• A partir daqui, o comportamento é semelhante ao de um diodo comum.

No viés reverso, o diodo túnel Também possui condutividade significativa, graças ao efeito túnel, permitindo que uma alta corrente reversa circule mesmo em baixas tensões.

Símbolo elétrico e circuito equivalente

El simbologia A representação do diodo túnel em esquemas elétricos pode variar ligeiramente, mas essencialmente mostra uma junção PN com um formato distinto que marca seu comportamento especial. O ânodo (P) e o cátodo (N) são claramente diferenciados.

Para análise de circuitos, é utilizado um modelo equivalente de pequeno sinal que inclui:

• Uma resistência negativa (-R_o) associado à região de resistência negativa.
• Uma indutância série (L_s) através dos terminais do diodo.
• Uma capacitância de junção (C).

Essa combinação de elementos reflete o comportamento do diodo túnel em aplicações de alta frequência e é essencial para prever sua resposta sob diferentes condições.

Principais aplicações dos diodos de túnel

Devido ao seu capacidade extraordinária de alterar rapidamente o estado de condução, o diodo túnel é especialmente indicado para:

• Osciladores de micro-ondas e alta frequência:Eles aproveitam a zona de resistência negativa para criar e manter oscilações elétricas estáveis, essenciais em telecomunicações, radares e sistemas sem fio.
• Amplificadores de reflexão: usado em configurações onde a amplificação é necessária em frequências onde transistores convencionais não funcionam bem.
• Interruptores de alta velocidade: graças à sua transição quase instantânea entre estados de direção e não direção.
• Conversores de Frequência:Sua capacidade de operar tanto em polarização direta quanto reversa permite seu uso em misturadores de sinais.
• Memórias lógicas em circuitos digitais: sua estabilidade na zona de resistência negativa é usada para armazenamento temporário de informações.

Embora ofereçam vantagens para alta frequência, não são adequados para retificação convencional devido à significativa corrente de fuga de polarização reversa, o que limita seu uso generalizado.

Vantagens e desvantagens do diodo túnel

El diodo túnel Possui propriedades únicas, com vantagens e desvantagens que devem ser levadas em consideração. Entre seus benefícios, destaca-se uma velocidade operacional ultra-rápida y barulho baixoNo entanto, também apresenta limitações, como uma baixa potência máxima e restrições na tensão de operação.

• Vantagens:
  • Velocidade operacional ultra-alta, adequado para comutação e geração de sinais em bandas de micro-ondas.
  • Baixo custo de fabricação e simplicidade construtiva em comparação com outros dispositivos de alta frequência.
  • baixo nível de ruído durante a operação.
  • Boa imunidade ambiental e longa vida útil graças à sua construção robusta.
• Desvantagens:
  • Baixa potência máxima, tornando-o inadequado para aplicações de alto consumo de energia.
  • Saídas de tensão limitadas e flutuações no sinal de saída.
  • Não há isolamento entre entrada e saída sendo um dispositivo de dois terminais.
  • Dificuldade na produção em larga escala e limitações em alguns aplicativos padrão.

Modelos e exemplos: Diodos de túnel 1N3716 e 1N3755

Entre os modelos históricos e mais utilizados de diodos de túnel destaca o 1N3716 y 1N3755, popular em laboratórios de micro-ondas, estações de telecomunicações e design de protótipos. Ambos se caracterizam por permitir frequências de operação muito altas e responder eficazmente em regiões de resistência negativa. Conhecimento de tipos específicos, como o diodo Schottky podem complementar a compreensão desses dispositivos em determinados contextos.

El 1N3716 Apresenta uma curva característica típica de diodos de túnel, com uma tensão de pico relativamente baixa e uma velocidade de resposta ótima para aplicações de micro-ondas e comutação rápida. Por sua vez, o 1N3755 Ele oferece especificações semelhantes, mas varia em detalhes como tensão de operação e faixa de corrente, permitindo seu uso em configurações específicas de eletrônicos de alta frequência.

Comparação com outros tipos de diodos

O mundo dos diodos tem uma ampla gama de variantes, como diodos de sinal, diodos Zener, diodos Schottky ou diodos retificadores. diodo túnel Diferencia-se principalmente por:

• Não ser útil para retificação devido à alta corrente de fuga de polarização reversa.
• Ser capaz de mudar de estado muito mais rápido do que Schottky ou outros diodos de alta velocidade.
• Mostrar uma região de resistência negativa muito acentuada (inexistente no restante dos diodos comuns).
• Para exigir materiais específicos e dopagem para seu funcionamento ideal, diferentemente do silício do diodo usual.

Essas características tornam o diodo túnel especializado em nichos onde outros dispositivos não podem competir, embora seu uso em eletrônicos de consumo seja limitado.

Funcionamento detalhado: Fases do ciclo VI

Para entender seu comportamento, é essencial analisar cada fase de sua curva característica:

• Aplicando uma pequena tensão contínua, os portadores de carga passam pela junção graças ao efeito túnel, gerando uma corrente menor.
• Com o aumento da tensão, as bandas de valência e de condução se sobrepõem, causando um rápido aumento na corrente até atingir o ponto de pico.
• Depois do pico, o desalinhamento das bandas reduz o tunelamento, diminuindo a corrente até o ponto do vale.
• À medida que as tensões continuam a aumentar, o comportamento se assemelha ao de uma junção convencional, e a corrente sobe novamente.
• Sob polarização reversa, o efeito túnel ainda permite corrente significativa, embora a tensão reversa máxima seja geralmente baixa.

Condições de uso e limites operacionais

El diodo túnel pode suportar tensões contínuas relativamente altas, com alguns modelos atingindo até 500 V, mas sua tensão reversa máxima (PIV) Geralmente é baixo, em torno de 40 V nos exemplos mais comuns. É importante ter essa limitação em mente para evitar danos.

O relacionamento entre corrente de pico e corrente do vale É um parâmetro essencial para escolher o modelo certo, especialmente em aplicações de osciladores e amplificadores, onde estabilidade e amplitude de sinal são necessárias na região de resistência negativa.

Situações cotidianas onde o diodo túnel é utilizado

Apesar do seu uso restrito, diodos de túnel estão localizados em:

• Equipamentos de comunicação por microondas.
• Medidores de alta frequência.
• Fontes de sinais em laboratórios de física eletrônica.
• Sistemas de radar que exigem respostas em nanossegundos.

Apesar da introdução de novas tecnologias e materiais, sua velocidade e confiabilidade os mantêm relevantes em certos campos especializados.