Tunneldiood

Tunneldiood on pooljuhtdiood, mille talitlus põhineb pn-siirdes ilmneval tunneliefektil, mille toimel dioodi pinge-voolu tunnusjoone päriharul kujuneb negatiivse diferentsiaaltakistusega lõik. Tunneldioodi läbib väga tugev pärivool juba madala päripingestamise korral. Dioodis tunneliefekti esilekutsumiseks on tarvilik dioodi tõkkekihi väga väike laius, kuni mõnikümmend nanomeetrit. Tunneldioodid on valmistatud kõrglegeeritud pooljuhtmaterjalist, mille lisandisisaldus on võrreldes tavaliste dioodide pooljuhtmaterjaliga kümneid tuhandeid kordi suurem. Tunneldioode kasutatakse kõrgetel sagedustel (kuni mõni tuhat MHz) kiiretoimelise lülitina, aga ka nii siinuselise kui relaksatsioonvõnkumise võimendamisel ning genereerimisel. Kui päripinge hakkab suurenema siis vool läbi dioodi suureneb ka kuni etteantud pinge väärtuseni V1. Kui suurendame pinget edasi V1'st siis vool väheneb ning tunneldiood on negatiivse diferentsiaalse takistuse piirkonnas kuni pingeni V2. Kui päripinge on suurem kui V2, siis vool suureneb ning tunneldiood on positiivse takistuse piirkonnas. Meid huvitab negatiivse takistuse piirkond lõigul V1 kuni V2, kuna selle lõigu ulatuses on võimalik tunneldioodi kasutada võnkumiste tekitamiseks ehk ostsilleerimiseks. Induktiivsus Ls ja takistusi Rs on tunneldioodi parasiitkomponendid ning nad on tingitud dioodi väljaviikudest. Kondensaator Cd näitab mahtuvust, mis on tingitud tõkkekihi mahtuvusest. Ning takisti Rd näitab dioodi negatiivset takistust. Maksimaalne võnkumiste sagedus võib olla arvutatud omavõnkesageduse või lõikesageduse põhjal. Omavõnkesageduse arvutus Omavõnkesageduse arvutamiseks kasutatakse järgmist valemit: f s = 1 2 p i C D R D C D R D 2 − L S L S {\displaystyle f_{s}={\frac {1}{2piC_{D}R_{D}}}{\sqrt {\frac {C_{D}R_{D}^{2}-L_{S}}{L_{S}}}}} , kus RD – tunneldioodi negatiivne takistus LS – tunneldioodi parasiitne induktiivsus CD – tunneldioodi tõkkekihi mahtuvus Lõikesageduse arvutus Tunneldioodi lõikesagedus on sagedus, mille juures skeemi negatiivne takistus on 0 ning võnkumised sumbuvad. Lõikesageduse arvutamiseks kasutatakse järgmist valemit: f r = 1 2 p i C D R D R D − R S R S {\displaystyle f_{r}={\frac {1}{2piC_{D}R_{D}}}{\sqrt {\frac {R_{D}-R_{S}}{R_{S}}}}} , kus RS – tunneldioodi parasiitne takistus Saehammasgeneraator, mis kasutab tunneldioodi CR1 ja transistori Q1. Vaatame olukorda, kus lüliti S1 on suletud asendis.Sel juhul väljundis on saehambakujuline signaal. Punktist 0 kuni punktini A laetakse aeglaselt kondensaatorit C1 läbi takisti Rs. Selle perioodi jooksul transistor Q1 on suletud ning tunneldioodi CR1 pinge on maksimum väärtusest väiksem. Punktis A tunneldioodi CR1 pinge saavutab maksimumi ning diood lülitub ümber kõrgepingerežiimi. Selle tulemusena transistor Q1 on avatud režiimis. Kondensaator C1 hakkab tühjenema läbi emitteri-kollektori ahela. Kui kondensaatori C1 pinge jõuab punktini B diood lülitub jälle algsesse asendisse ning transistor Q1 sulgub. Seejärel hakkab uus tsükkel sama põhimõtega. Joonisel 6 on kujutatud kristalliga juhitav tunneldioodi ostsillaator. Tema tööpõhimõte seisneb selles, et toitepinge tuleb akust Eb läbi pingejaguri R1 ja R2. Takisti R2 takistus on valitud nii, et tema takistus on kaks korda suurem, kui tunneldioodi efektiivne negatiivne takistus. Takisti R3 on võrdne takistiga R2. Juhul kui kvartskristall on järjestikresonantsis, on kogu positiivne takistus pool R2 väärtusest. See väärtus on võrdne tunneldioodi negatiivse takistusega ning võnkumised hakkavad peale. Skeem on võimeline võnkuma ainult kvartskristalli Y1 järjestikresonantssagedusel. Technical manual (1963), RCA Tunnel Diodes for switching and microwave applications, lk 66-67 Sylvester P. Gentile (1962), Basic theory and application of tunnel diodes, lk 189-190, lk 195-198, lk 210-211