דיודת מנהרה

דיודת מנהרה או דיודת מִנהוּר (; נקראת גם דיודת אסאקי) היא סוג של דיודה בעלת התנגדות דיפרנציאלית שלילית  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, ואחריה 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.

 שימושים 
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.
ממוזער|250x250 פיקסלים| מגבר דיודות מנהרה של 8–12 גיגה-הרץ (1970 בקירוב)
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  הגיעה לכמה מהתדרים הגבוהים ביותר של מתנדי מצב מוצק.
 דיודת מתכת-מבודד-מבודד-מתכת  – דיודת מנהרה בעלת שכבת בידוד נוספת המאפשרת "מנהור צעד" לשליטה מדויקת יותר על הדיודה.
 דיודת מתכת-מבודד-מתכת  – לדיודה זאת יש רגישויות מובנות ולכן היישום הנוכחי שלה מוגבל לסביבות מחקר.

 אופן פעולה 
 בממתח קדמי 
ממוזער|אופיין זרם־מתח של דיודת מנהרה. באזור הכהה, בין V1 ל־V2, יש לה התנגדות דיפרנציאלית שלילית.
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 ( 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  לבין  (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.

 בממתח אחורי 
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.

 השוואות טכניות 
ממוזער|אופיין זרם־מתח של דיודת מנהרה של 10 מילי־אמפר עשויה גרמניום, שצולמה בעוקב עקומה מדגם טקטרוניקס 571.
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 , שבדרך כלל עושה שימוש בשסתום תרמיוני טטרודי (שפופרת ריק).

 יישומים 
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. 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).

 אורך חיים 
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.

 ראו גם 
 דיודת מפולת
 דיודת גאן
 דיודת זנר
 מוליכים למחצה מחוץ לשיווי משקל

 קישורים חיצוניים 

 Tunnel Diode tutorial

 הערות שוליים 

קטגוריה:יפן: המצאות
קטגוריה:דיודות