O que é um diodo túnel?

Um diodo túnel – também chamado de diodo Esaki porque Leo Esaki o inventou em 1957 – é um diodo de junção PN fortemente dopado que exibe resistência negativa e alta condutividade devido ao efeito de tunelamento. Em diodos de sinal (diodos de sinal pequeno e diodos retificadores), os portadores de carga superam gradualmente a região de depleção. Num diodo túnel, os portadores de carga superam espontaneamente a barreira.

Outra característica distinta dos diodos túnel é a sua resistência negativa. Um diodo túnel conduz em ambas as direções, e a corrente através do diodo diminui com o aumento da tensão.

A concentração de átomos de impureza em um diodo de sinal típico é de uma parte em 10⁸. Enquanto em um diodo túnel, a concentração de átomos de impureza é de uma parte em 10³. Devido à forte dopagem da região de depleção, um diodo túnel é altamente condutivo nas regiões de polarização direta e reversa. Sua condutividade muda espontaneamente, tornando-o adequado para comutação de alta frequência. É por isso que os diodos túnel são usados ​​​​como interruptores de alta velocidade, bem como amplificadores de alta frequência e circuitos osciladores de micro-ondas.

Exemplo de diodo túnel

Símbolo do diodo túnel
O diodo túnel é mostrado abaixo em um circuito usando um dos dois símbolos elétricos.

Símbolos elétricos do diodo túnel

Construção de diodo túnel
Ao contrário dos diodos de sinal típicos, os diodos túnel não são construídos em silício. Os materiais usados ​​na construção de um diodo túnel são antimoneto de gálio, arsenieto de gálio e germânio. Em um diodo túnel, à medida que a tensão direta é aplicada, a corrente aumenta espontaneamente até um valor de pico e, com o aumento da tensão, reduz-se a um nível mínimo denominado ponto vale. A relação entre a corrente de pico e a corrente de vale é muito pequena no substrato de silício, portanto não é apropriado construir um diodo túnel; entretanto, a relação entre a corrente de pico e a corrente de vale é máxima no caso do germânio.

Além da seleção do material, o segundo fator importante na construção de um diodo túnel é o nível de dopagem. A junção PN fortemente dopada é quase 1000 vezes maior que a de um diodo normal. A região de depleção em um diodo túnel torna-se extremamente estreita devido a esta forte dopagem.

Símbolos elétricos do diodo túnel

Características VI do diodo túnel
Assim como um diodo semicondutor, um diodo túnel também é um dispositivo de dois terminais. A tensão pode ser aplicada a um diodo túnel em polarização direta ou reversa. Quando uma tensão direta é aplicada a um diodo túnel, a corrente através do diodo começa a aumentar espontaneamente devido ao efeito de túnel. Isso é chamado de corrente de tunelamento. Ele atinge instantaneamente um valor máximo denominado ponto de pico. A tensão no ponto de pico é chamada de tensão de pico e a corrente é chamada de corrente de pico. Esta é a corrente máxima que o diodo túnel pode conduzir.

À medida que a tensão aumenta, a corrente através do diodo túnel começa a cair. Reduz lentamente para um valor mínimo denominado corrente de vale. Isso é chamado de região de resistência reversa do diodo túnel. A relação entre corrente de pico e corrente de vale é mais significativa na operação de comutação de um diodo túnel. A corrente de pico e a corrente de vale de alguns diodos de túnel comuns estão listadas na tabela abaixo.

Depois de atingir o ponto vale, a corrente aumenta à medida que a tensão aumenta, semelhante a um diodo de grande sinal. A tensão no ponto em que a corrente se recupera para um quarto da corrente do ponto de pico é chamada de tensão de saturação direta (V_FS). A corrente aumenta até que uma tensão direta máxima seja atingida.

Características VI do diodo túnel

Quando uma polarização reversa é aplicada, o diodo túnel conduz um alto valor de corrente de saturação reversa devido à forte dopagem – ele quebra como um diodo normal em um pico de tensão reversa. A tensão inversa de pico de todos os modelos de diodo túnel listados acima é 40V.

Circuito equivalente de diodo túnel
Diodos túnel são usados ​​como interruptores de alta velocidade. A característica mais significativa de um diodo túnel é sua região de resistência negativa. A queda de condutividade na região de resistência negativa de um diodo túnel determina sua operação de comutação. É por isso que, para análise do circuito de um diodo túnel, você usa um modelo de diodo de pequeno sinal com resistência negativa. O seguinte é um circuito equivalente de um diodo túnel.

Circuito equivalente de um diodo túnel

No circuito equivalente acima, -Ro é a resistência do diodo na região de resistência negativa, Ls é a indutância em série devido aos terminais e C é a capacitância da junção.

Funcionamento de um diodo túnel
Em um diodo de sinal típico, a região de depleção é ampla o suficiente para evitar a passagem de portadores de carga livre através dela. Em condições imparciais, os elétrons que passam da região do tipo n para a região do tipo p e os buracos que passam da região do tipo p para a região do tipo n são portadores de carga minoritários presentes na região de depleção. Em um diodo túnel, a região de depleção é muito estreita, de modo que mesmo a maioria dos portadores de carga podem atravessar a região de depleção para os outros lados. Praticamente não há região de depleção entre as regiões do tipo p e do tipo n. Em outras palavras, podemos dizer que a banda de condução e a banda de valência se sobrepõem em um diodo túnel.

Em condições imparciais, elétrons e buracos ganham energia cinética devido à temperatura e se movem livremente através da junção. No entanto, a corrente do elétron e do buraco são iguais e se cancelam. Nenhuma corrente líquida flui através do diodo em uma condição imparcial. Quando uma pequena tensão direta é aplicada ao diodo túnel, ele não é capaz de superar a barreira de potencial da estreita região de depleção. Ainda assim, alguns portadores de carga majoritários podem atravessar a região de depleção devido ao efeito de tunelamento. Isso faz com que uma pequena quantidade de corrente direta passe pelo diodo.

À medida que a tensão aumenta, a corrente do túnel começa a aumentar rapidamente devido ao livre movimento dos portadores de carga. A banda de valência da região tipo n se sobrepõe à banda de condução da região tipo p, levando a um aumento na corrente. À medida que a tensão aumenta, mais elétrons e lacunas são gerados, fazendo com que uma alta corrente flua através do diodo. O fluxo de corrente também altera os níveis de energia da banda de valência e da banda de condução de ambas as regiões. A corrente atinge um ponto de pico quando a banda de valência da região do tipo n é igual à banda de condução da região do tipo p.

Qualquer aumento adicional na tensão cria um forte campo eletrostático devido aos íons presentes na região de depleção. Isso causa desalinhamento das bandas de valência e condução, resultando na queda da corrente através do diodo. A corrente cai para um ponto de vale onde é mínima. Quando a tensão direta ainda aumenta, a sobreposição das bandas de valência e de condução diminui completamente e o diodo túnel começa a se comportar como um diodo normal.

Uma quantidade significativa de corrente de saturação reversa flui através do diodo devido ao efeito de tunelamento em condições de polarização reversa. O diodo túnel permanece em estado de condução em polarização reversa devido à grande corrente reversa e devido à forte dopagem, a tensão inversa de pico é pequena em comparação com a tensão direta máxima. Por exemplo, os diodos túnel listados na tabela acima têm uma tensão direta máxima de até 500 V; a classificação PIV para todos eles é de apenas 40 V.

Vantagens do diodo túnel
São dispositivos duráveis ​​e de baixo custo, adequados para aplicações de alta frequência e alta velocidade. Eles são fáceis de fabricar e oferecem operação de comutação de alta velocidade com baixo ruído de sinal.

Desvantagens do diodo túnel
Os diodos túnel são dispositivos de baixa potência e apresentam oscilação na tensão de saída. Como qualquer diodo, o circuito de saída e entrada de um diodo túnel não pode ser isolado como um dispositivo de dois terminais. Também não é possível fabricar diodos túnel em grande escala.

Aplicações de diodo túnel
Um diodo túnel é um dispositivo de baixa potência que não é frequentemente usado em circuitos eletrônicos. Devido à operação de comutação de alta velocidade, eles são usados ​​em aplicações de alta frequência de pequenas correntes. A região de resistência negativa do diodo túnel é utilizada para projetar circuitos osciladores e amplificadores de reflexão. Como o diodo túnel permanece no estado de condução tanto na polarização direta quanto na reversa, ele também é usado como conversor de frequência. Em circuitos digitais, esses diodos são usados ​​como armazenamento de memória lógica.