Điốt tunnel

1.Trạng thái phân cực thuận

Diode tunnel có nồng độ pha tạp rất lớn do đó sự chênh lệch các mức năng lượng cũng rất lớn, dẫn đến mức năng lượng của dải dẫn phía n và dải hóa trị phía p chồng lấn lên nhau. Cơ học lượng tử phát biểu rằng electron có thể chui qua hàng rào thế năng nếu như độ dày vùng nghèo rất mỏng.
Trong trạng thái phân cực thuận, khi điện áp bắt đầu tăng lên, electron bắt đầu chui hầm qua lớp tiếp giáp p-n rất hẹp và lấp đầy các lỗ trống trong dải dẫn phía bán dẫn. Khi điện áp tiếp tục tăng lên, chênh lệch các mức năng lượng trở nên càng lớn và dòng qua diode giảm. Đây được gọi là vùng trở kháng âm vì dòng điện giảm trong khi điện áp tăng. Với điện áp tiếp tục tăng lên, diode biến thiên như diode thông thường, các electron được dẫn qua tiếp giáp p-n. Vùng làm việc quan trọng nhất của diode tunnel chính là vùng điện trở âm. Đặc tuyến Volt-Ampere của diode tunnel do đó khác với diode thông thường

2. Trạng thái phân cực ngược

Khi hoạt động trong trạng thái phân cực ngược, diode tunnel được gọi là diode ngược và đóng vai trò như chuyển mạch tốc độ cao với độ tuyến tính rất cao (chúng có đường đặc tuyến dưới 0 dạng hàm mũ chuẩn). Lúc này các electron lại chui hầm xuyên qua lớp tiếp giáp theo chiều ngược lại từ bán dẫn p sang bán dẫn n.☁

Các đặc trưng hoạt động

Diode bình thường dẫn điện khi lớp tiếp giáp p-n phân cực thuận và khóa khi tiếp gíap phân cực ngược cho đến khi điện áp đạt tới ngưỡng gọi là "điện áp ngược đánh thủng" và diode lại bắt đầu dẫn điện (thường đi kèm với sự phá hủy của linh kiện). Với diode tunnel, mật độ pha tạp trong lớp p và lớp n rất cao đến mức điện áp ngược đánh thủng gần như bằng 0 và diode dẫn điện theo chiều ngược lại. Tuy nhiên, trong chế độ phân cực thuận, hiệu ứng gọi là "hiệu ứng đường hầm cơ học lượng tử" dẫn đến một vùng trên đặc tuyến ở đó sự tăng của điện áp dẫn tới sự giảm của dòng điện. Vùng điện trở âm này được sử dụng trong phiên bản bán dẫn của mạch tạo dao động Dynatron vốn sử dụng đèn chân không 3 cực
Diode tunnel cho thấy tiềm năng rất lớn trong các ứng dụng tạo dao động và chuyển mạch tốc độ cao bởi vì tần số hoạt động cao hơn nhiều so với đèn chân không, ở dải tần của vi sóng. Ứng dụng của diode tunnel có thể kể đến như thạch anh nội của các bộ thu sóng truyền hình UHF, mạch kích của dao động ký, mạch đếm tốc độ cao, mạch tạo xung nhanh. Nó cũng có thể được sử dụng trong khuếch đại vi sóng độ nhiễu thấp. Kể từ khi được phát minh, nhiều thiết bị bán dẫn thông thường khác đã vượt qua hiệu năng của diode tunnel. Trong nhiều ứng dụng, linh kiện bán dẫn 3 cực, ví dụ như transistror hiệu ứng trường, tỏ ra linh hoạt hơn so với các linh kiện chỉ có 2 cực. Diode tunnel trong thực tế hoạt động trong vùng vài miliamp và vài phần mười volt, do đó chúng thuộc loại linh kiện công suất nhỏ. Diode Gunn có khả năng hoạt động ở tần số cao trong khi có công suất lớn hơn nhiều.
Diode tunnel cũng có khả năng kháng bức xạ ion lớn hơn nhiều các loại diode khác do đó chúng phù hợp với các môi trường bức xạ cao ví dụ như ngoài không gian

Tuổi thọ

Diode tunnel nổi tiếng bởi độ bền của nó, khi mà một số diode được sản xuất từ thập kỷ 60 vẫn hoạt động tới ngày nay. Trong bài viết đăng trên tạp chí Nature, Esaki và các đồng nghiệp nói rằng các linh kiện bán dẫn nói chung rất bền bỉ, và dự đoán rằng hạn sử dụng của chúng có thể là vĩnh viễn nếu được bảo quản ở nhiệt độ phòng. Họ đưa ra các báo cáo về việc thử nghiệm quy mô nhỏ trên các linh kiện bán dẫn 50 năm tuổi cho thấy "bằng chứng mỹ mãn về tuổi thọ của diode". Trên thực tế một số diode mẫu của Esaki có hiện tượng ăn mòn của các điện cực bằng sắt mạ vàng khiến chúng bị nối với vỏ. Tuy nhiên điều này có thể được xử lý dễ dàng với kỹ thuật hòa tan bằng peroxide/giấm vốn được sử dụng để sửa các bảng mạch trong điện thoại di động và diode lại có thể vận hành bình thường
Tuy vậy các linh kiện này lại rất nhạy cảm với quá nhiệt do đó cần cẩn thận khi hàn. Các linh kiện thanh lý của Nga cũng rất tin cậy và có thể mua được với gía rất rẻ. Diode tunnel được bán phổ biến là loại GaAs và có tỉ số Ipk/Iv là 5:1 tại Ipk từ 1 dến 20mA do đó cần chú ý bảo vệ qúa dòng.