דיודת מנהרה

דיודת מנהרה או דיודת מִנהוּר (באנגלית: Tunnel diode; נקראת גם דיודת אסאקי) היא סוג של דיודה בעלת התנגדות שלילית (אנ') בשל תופעה קוונטית הנקראת מנהור קוונטי. דיודת המנהרה הומצאה באוגוסט 1957 על ידי לאו אסאקי ויריקו קורוזה כשעבדו בחברת "טוקיו צושין קוגיו", המוכרת כיום בשם סוני. בשנת 1973 זכה אסאקי בפרס נובל לפיזיקה על הדגמה ניסיונית של תופעת המנהור באלקטרונים במוליכים למחצה. רוברט נויס הגה באופן עצמאי את רעיון דיודת המנהרה בזמן שעבד עבור ויליאם שוקלי, אך לא היה מעודד מפיתוחה והפיתוח נזנח. דיודות מנהרה יוצרו לראשונה על ידי סוני ב-1957, ואחריהן היו ג'נרל אלקטריק וחברות נוספות משנת 1960 בערך. דיודות מנהרה עדיין מיוצרות כיום אך לא בכמויות גדולות. דיודות המנהרה בנויה מצומת PN מאולח בכבדות שרוחבו הוא בערך 10 ננומטר (100 Å) – דק ביותר. האילוח הכבד מביא לפער אסור מעוקם, כאשר האלקטרונים בפס ההולכה בצד ה-N נמצאים פחות או יותר באותן רמות אנרגיה של החורים בפס הערכיות בצד ה-P. דיודות מנהרה עשויות בדרך כלל מגרמניום, אך הן יכולות להיות עשויות גם מחומרים כמו גליום ארסניד (GaAs), גליום אנטימוניד (GaSb) וסיליקון. ההתנגדות הדיפרנציאלית השלילית בחלק מטווח הפעולה של דיודות המנהרה מאפשרת להן לפעול כמתנדים וכמגברים, ובמעגלי מיתוג באמצעות היסטרזיס. הן משמשות גם כממירי תדרים וכגלאים. הקיבול הנמוך שלהן מאפשר להן לתפקד בתדרי גלי מיקרו, שתדירותם נמצאת הרבה מעל לטווח הפעולה של דיודות וטרנזיסטורים רגילים. בשל הספק המוצא הנמוך שלהן, דיודות המנהרה אינן נמצאות בשימוש נרחב: תפוקת תדרי הרדיו שלהן מוגבלת לכמה מאות מילי־ואטים בגלל תנודת המתח הקטנה שלהן. עם זאת, בשנים האחרונות פותחו רכיבים חדשים המשתמשים במנגנון המנהור: דיודת מנהור־תהודה (RTD) הגיעה לכמה מהתדרים הגבוהים ביותר של מתנדי מצב מוצק. דיודת מתכת-מבודד-מבודד-מתכת (MIIM) – דיודת מנהרה בעלת שכבת בידוד נוספת המאפשרת "מנהור צעד" לשליטה מדויקת יותר על הדיודה. דיודת מתכת-מבודד-מתכת (MIM) – לדיודה זאת יש רגישויות מובנות ולכן היישום הנוכחי שלה מוגבל לסביבות מחקר. כאשר המתח מתחיל לעלות המל"ם יוצא משיווי משקל, והאלקטרונים האנרגטיים ביותר שבפס ההולכה בצד ה־N עוברים – עקב תופעת המנהור – דרך מחסום צומת ה-PN (אזור הדלדול) הדקיק אל החלק העליון הריק של פס הערכיות בצד ה־P של צומת ה־PN. כשהמתח החיצוני ממשיך לגדול, פס ההולכה בצד ה־N ופס הערכיות בצד ה־P חופפים יותר ויותר, מה שמביא להגדלת זרם המנהור עד מתח מסוים ( V 1 {\displaystyle V_{1}} באיור משמאל). כאשר המתח יעלה מעבר למתח זה, פס ההולכה בצד ה־N ופס הערכיות בצד ה־P יחפפו פחות ולכן וזרם המנהור יקטן. בין V 1 {\displaystyle V_{1}} לבין V 2 {\displaystyle V_{2}} (ראו איור משמאל), לדיודת המנהרה יש התנגדות דיפרנציאלית שלילית מכיוון שהזרם בדיודה יורד עם עליית המתח עליה. אזור הפעולה החשוב ביותר בדיודת מנהרה הוא אזור ההתנגדות השלילית. כאשר המתח עולה מעבר למתח סף קבוע, זרם המנהור מתאפס והדיודה מתחילה לפעול כדיודה רגילה, שבה אלקטרונים נעים באמצעות הולכה על פני צומת ה־PN, ולא על ידי מנהור דרך מחסום צומת ה־PN. אופיין הזרם־מתח של דיודת מנהרה שונה מאופיין הזרם־מתח של דיודה רגילה. בשימוש בכיוון הפוך, דיודת מנהרה נקראת דיודה אחורית (back diode או backward diode) והיא יכולה לפעול כמיישר זרם מהיר עם מתח היסט אפס וליניאריות קיצונית לאותות הספקיים (לדיודת מנהרה יש מאפיין חוק ריבועי מדויק בכיוון ההפוך). תחת ממתח אחורי, מצבים מלאים בצד ה־P הופכים חופפים יותר ויותר עם מצבים ריקים בצד ה־N, ואלקטרונים יכולים לעבור דרך מחסום צומת PN בכיוון הפוך. בדיודה רגילה, הולכה מתרחשת בזמן שצומת ה-PN נמצא בממתח קדמי, ונתק מתרחש כאשר הצומת נמצא בממתח אחורי. הנתק מתרחש עד למתח אחורי המכונה מתח פריצה אחורה שבו מתחילה הולכה (לרוב הרכיב נהרס במקרה כזה). בדיודת מנהרה, לעומת זאת, ריכוזי האילוח באזורי ה־P וה־N גדולים עד כדי כך שמתח הפריצה אחורה הוא אפס והדיודה מוליכה בכיוון ההפוך. עם זאת, כאשר דיודת מנהרה נמצאת בממתח קדמי, תופעת המנהור הקוונטי גורמת לכך שבטווח מתחים מסוים, עלייה במתח גורמת לזרם לקטון, כלומר שבטווח זה התנגדות הדיוה היא שלילית. ניתן לנצל את טווח ההתנגדות השלילית בגרסת מצב מוצק של מתנד דינטרון (Dynatron oscillator), שבדרך כלל עושה שימוש בשסתום תרמיוני טטרודי (שפופרת ריק). דיודת המנהרה זכתה להכרה משמעותית ביכולתה לתפקד הן כמתנד והן כמכשיר סף (טריגר) בתדר גבוה, בעיקר משום שהיא יכלה לפעול בתדרים הנמצאים הרבה מעבר לטווח שניתן להשיג על ידי טכנולוגיות קודמות כמו הטטרודה (Tetrode). בעוד שהטטרודה הוגבלה ליישומים בתדר נמוך יותר, דיודת המנהרה הצטיינה באלקטרוניקה במהירות גבוהה בכך שהיא הגיעה אל ספקטרום תדרי המיקרוגל, הכולל תדרים הנעים בין 1 ל־100 גיגה־הרץ. טווח תדרים יוצא דופן זה הפך את דיודת המנהרה למתאימה במיוחד למערכות תקשורת מתקדמות, מכ"מים ויישומים אחרים הדורשים מיתוג וחילול אותות מהירים. יכולתה לעבוד ביעילות בתדרים גבוהים כל כך פתחה אפשרויות חדשות בתחומים שבהם המהירות והדיוק היו קריטיים, וחיזקה את מקומה כמרכיב מפתח באלקטרוניקה בתדר גבוה בתקופתה. יישומים של דיודות מנהרה כללו מתנדים מקומיים עבור מקלטי טלוויזיה בתדרי UHF, מעגלי טריגר באוסצילוסקופים, מעגלי מונים מהירים, ומעגלי מחולל דפקים בעלי עלייה מהירה מאוד. בשנת 1977, המקלט של הלוויין אינטלסט V עשה שימוש בקדמן מגבר דיודות מנהרה (TDA) מיקרו-סטריפ (microstrip) בתדרים של 14–15.5 גיגה-הרץ. מגברים כאלה נחשבו לחדשים ובעלי ביצועים טובים יותר בתדרים גבוהים מכל קדמן מבוסס טרנזיסטור. דיודת המנהרה יכולה לשמש גם כמגבר בעל רעש נמוך לגלי מיקרו. מאז המצאתה, התקני מוליכים למחצה רגילים עלו על ביצועיה באמצעות טכניקות מתנד רגילות. למטרות רבות, התקן בעל שלושה הדקים, כגון טרנזיסטור FET, הוא גמיש יותר מהתקן בעל שני הדקים בלבד. דיודות מנהרה מעשיות פועלות בכמה מילי־אמפר ובכמה עשיריות וולט, מה שהופך אותן לרכיבים בעלי הספק נמוך. לדיודת גאן יש יכולת דומה בתדר גבוה והיא יכולה להתמודד עם הספק גבוה יותר. יתרון חשוב של דיודה זו הוא עמידותה היחסית לקרינה מייננת, מה שהופך אותה למתאימה יותר לסביבות מסוימות (כגון החלל). דיודות מנהרה רגישות להתחממות יתר, ולכן יש צורך בזהירות מיוחדת בעת הלחמתן. דיודות מנהרה בולטות באורך חייהן – דיודות מנהרה שיוצרו בשנות ה-60 עדיין מתפקדות. במאמר ב־Nature, אסאקי ונוספים כתבו כי התקני מוליכים למחצה באופן כללי הם יציבים ביותר, והציעו שחיי המדף שלהם צריכים להיות "אינסופיים", אם הם נשמרים בטמפרטורת החדר. הם ממשיכים בדיווח על ניסוי בקנה מידה קטן של רכיבים בני 50 שנה, שהראה "אישור משמח לאריכות החיים של הדיודה". כפי שצוין בדגימות מסוימות של דיודות אסאקי, פיני הברזל המצופים זהב עלולים להחליד וליצור קצר במארז. בדרך כלל ניתן לאבחן ולטפל בבעיה זו בטכניקת חמצן פשוטה המשמשת בדרך כלל לתיקון מעגלים מודפסים של טלפונים, בלי לפגוע בפעולת הדיודה. דיודת מפולת דיודת גאן דיודת זנר מוליכים למחצה מחוץ לשיווי משקל מדיה וקבצים בנושא דיודת מנהרה בוויקישיתוף Tunnel Diode tutorial Esaki, Leo (1958-01-15). "New Phenomenon in Narrow Germanium p−n Junctions". Physical Review. 109 (2): 603–604. Bibcode:1958PhRv..109..603E. doi:10.1103/PhysRev.109.603. "The Esaki Diode, Chapter 9 The Model 2T7 Transistor, Part I, Sony History". Sony Corporation. 1996. נבדק ב-2018-04-04. "The Nobel Prize in Physics 1973: Award ceremony speech". NobelPrize.org (באנגלית אמריקאית). נבדק ב-2023-12-17. Berlin, Leslie (2005). The Man Behind the Microchip: Robert Noyce and the Invention of Silicon Valley. Oxford, UK: Oxford University Press. ISBN 0-19-516343-5. ソニー半導体の歴史 (ביפנית). אורכב מ-המקור ב-2009-02-02. Rostky, George. "Tunnel diodes: the transistor killers". EE Times. אורכב מ-המקור ב-7 בינואר 2010. נבדק ב-2 באוקטובר 2009. {{cite web}}: (עזרה) Fink, Donald G., ed. (1975). Electronic Engineers Handbook. New York, NY: McGraw Hill. ISBN 0-07-020980-4. Brown, E.R.; Söderström, J.R.; Parker, C.D.; Mahoney, L.J.; Molvar, K.M.; McGill, T.C. (18 במרץ 1991). "Oscillations up to 712 GHz in InAs/AlSb resonant-tunneling diodes" (PDF). Applied Physics Letters. 58 (20): 2291. Bibcode:1991ApPhL..58.2291B. doi:10.1063/1.104902. ISSN 0003-6951. אורכב מ-המקור (PDF) ב-23 בספטמבר 2015. נבדק ב-26 בדצמבר 2012. {{cite journal}}: (עזרה) Conley, John (4 בספטמבר 2013). "Electronics advance moves closer to a world beyond silicon". OSU College of Engineering. {{cite web}}: (עזרה) "The MIM diode: Another challenger for the electronics crown". SciTechStory. 19 בנובמבר 2010. אורכב מ-המקור ב-24 בדצמבר 2016. נבדק ב-4 בינואר 2017. {{cite web}}: (עזרה) Mott, R.C. (בנובמבר 1978). "Intelsat V 14 GHz tunnel diode noise figure study". COMSAT Technical Review. 8: 487–507. Bibcode:1978COMTR...8..487M. ISSN 0095-9669. {{cite journal}}: (עזרה) Turner, L.W., ed. (1976). Electronics Engineer's Reference Book (4th ed.). London, UK: Newnes-Butterworth. pp. 8–18. ISBN 0-408-00168-2. Esaki, Leo; Arakawa, Yasuhiko; Kitamura, Masatoshi (2010). "Esaki diode is still a radio star, half a century on". Nature. 464 (7285): 31. Bibcode:2010Natur.464Q..31E. doi:10.1038/464031b. PMID 20203587.