Un diodo túnel (también llamado diodo Esaki porque Leo Esaki lo inventó en 1957) es un diodo de unión PN fuertemente dopado que exhibe resistencia negativa y alta conductividad debido al efecto túnel. En los diodos de señal (pequeños diodos de señal y diodos rectificadores), los portadores de carga superan gradualmente la región de agotamiento. En un diodo túnel, los portadores de carga superan espontáneamente la barrera.
Otra característica distintiva de los diodos túnel es su resistencia negativa. Un diodo túnel conduce en ambas direcciones y la corriente a través del diodo disminuye al aumentar el voltaje.
La concentración de átomos de impureza en un diodo de señal típico es una parte en 10 8 . Mientras que en un diodo túnel, la concentración de átomos de impureza es una parte en 10 3 . Debido al fuerte dopaje de la región de agotamiento, un diodo túnel es altamente conductor en las regiones de polarización directa e inversa. Su conductividad cambia espontáneamente, lo que lo hace adecuado para conmutación de alta frecuencia. Por este motivo, los diodos túnel se utilizan como interruptores de alta velocidad, así como como amplificadores de alta frecuencia y circuitos osciladores de microondas.
Ejemplo de diodo de túnel
Símbolo de diodo de túnel
El diodo túnel se muestra a continuación en un circuito que utiliza uno de dos símbolos eléctricos.
Símbolos eléctricos del diodo de túnel.
Construcción de diodos de túnel
A diferencia de los diodos de señal típicos, los diodos túnel no están fabricados de silicio. Los materiales utilizados en la construcción de un diodo túnel son antimonuro de galio, arseniuro de galio y germanio. En un diodo túnel, a medida que se aplica voltaje directo, la corriente aumenta espontáneamente hasta un valor máximo y, a medida que aumenta el voltaje, se reduce a un nivel mínimo llamado punto valle. La relación entre la corriente máxima y la corriente valle es muy pequeña en el sustrato de silicio, por lo que no es apropiado construir un diodo túnel; sin embargo, la relación entre la corriente máxima y la corriente del valle es máxima en el caso del germanio.
Además de la selección del material, el segundo factor importante en la construcción de un diodo túnel es el nivel de dopaje. La unión PN fuertemente dopada es casi 1000 veces más grande que la de un diodo normal. Debido a este fuerte dopaje, la zona de agotamiento en un diodo túnel se vuelve extremadamente estrecha.
Símbolos eléctricos del diodo de túnel.
Características del diodo túnel VI
Al igual que un diodo semiconductor, un diodo túnel también es un dispositivo de dos terminales. Se puede aplicar voltaje a un diodo túnel en polarización directa o inversa. Cuando se aplica un voltaje directo a un diodo túnel, la corriente a través del diodo comienza a aumentar espontáneamente debido al efecto túnel. Esto se llama corriente de túnel. Instantáneamente alcanza un valor máximo llamado punto pico. El voltaje en el punto pico se llama voltaje pico y la corriente se llama corriente pico. Ésta es la corriente máxima que puede conducir el diodo túnel.
A medida que aumenta el voltaje, la corriente que pasa por el diodo túnel comienza a disminuir. Se reduce lentamente hasta un valor mínimo llamado corriente de valle. Esto se llama región de resistencia inversa del diodo túnel. La relación entre la corriente pico y la corriente valle es más significativa en la operación de conmutación de un diodo túnel. La corriente máxima y la corriente valle de algunos diodos de túnel comunes se enumeran en la siguiente tabla.
Después de alcanzar el punto del valle, la corriente aumenta a medida que aumenta el voltaje, de forma similar a un diodo de señal grande. El voltaje en el punto donde la corriente se recupera a un cuarto de la corriente del punto máximo se llama voltaje de saturación directa ( VFS ). La corriente aumenta hasta que se alcanza un voltaje directo máximo.
Características del diodo túnel VI
Cuando se aplica una polarización inversa, el diodo túnel conduce un alto valor de corriente de saturación inversa debido a un fuerte dopaje: se descompone como un diodo normal en un pico de voltaje inverso. El voltaje inverso máximo de todos los modelos de diodos túnel enumerados anteriormente es de 40 V.
Circuito equivalente de diodo de túnel
Los diodos túnel se utilizan como interruptores de alta velocidad. La característica más importante de un diodo túnel es su región de resistencia negativa. La caída de conductividad en la región de resistencia negativa de un diodo túnel determina su operación de conmutación. Esta es la razón por la que, para el análisis del circuito de un diodo túnel, se utiliza un modelo de diodo de pequeña señal con resistencia negativa. El siguiente es un circuito equivalente de un diodo túnel.
Circuito equivalente de un diodo túnel.
En el circuito equivalente anterior, -Ro es la resistencia del diodo en la región de resistencia negativa, Ls es la inductancia en serie debida a los terminales y C es la capacitancia de la unión.
Cómo funciona un diodo túnel
En un diodo de señal típico, la región de agotamiento es lo suficientemente amplia como para evitar que los portadores de carga libre la atraviesen. En condiciones insesgadas, los electrones que pasan de la región de tipo n a la región de tipo p y los huecos que pasan de la región de tipo p a la región de tipo n son portadores de carga minoritarios presentes en la región de agotamiento. En un diodo túnel, la zona de agotamiento es muy estrecha, de modo que incluso la mayoría de los portadores de carga pueden atravesar la zona de agotamiento hacia otros lados. Prácticamente no hay región de agotamiento entre las regiones de tipo p y tipo n. En otras palabras, podemos decir que la banda de conducción y la banda de valencia se superponen en un diodo túnel.
En condiciones imparciales, los electrones y los huecos ganan energía cinética debido a la temperatura y se mueven libremente a través de la unión. Sin embargo, las corrientes de electrones y huecos son iguales y se anulan entre sí. No fluye corriente neta a través del diodo en una condición imparcial. Cuando se aplica un pequeño voltaje directo al diodo túnel, no puede superar la barrera de potencial de la estrecha región de agotamiento. Aún así, algunos portadores de carga mayoritarios pueden cruzar la región de agotamiento debido al efecto túnel. Esto hace que pase una pequeña cantidad de corriente continua a través del diodo.
A medida que aumenta el voltaje, la corriente del túnel comienza a aumentar rápidamente debido al libre movimiento de los portadores de carga. La banda de valencia de la región de tipo n se superpone con la banda de conducción de la región de tipo p, lo que provoca un aumento de la corriente. A medida que aumenta el voltaje, se generan más electrones y huecos, lo que hace que fluya una corriente elevada a través del diodo. El flujo de corriente también cambia los niveles de energía de la banda de valencia y de la banda de conducción de ambas regiones. La corriente alcanza un punto máximo cuando la banda de valencia de la región de tipo n es igual a la banda de conducción de la región de tipo p.
Cualquier aumento adicional de voltaje crea un fuerte campo electrostático debido a los iones presentes en la región de agotamiento. Esto provoca una desalineación de las bandas de valencia y conducción, lo que resulta en una caída de la corriente a través del diodo. La corriente desciende hasta un punto del valle donde es mínima. Cuando el voltaje directo aumenta aún más, la superposición de las bandas de valencia y conducción disminuye por completo y el diodo túnel comienza a comportarse como un diodo normal.
Una cantidad significativa de corriente de saturación inversa fluye a través del diodo debido al efecto túnel en condiciones de polarización inversa. El diodo túnel permanece en estado de conducción con polarización inversa debido a la gran corriente inversa y debido al fuerte dopaje, el voltaje inverso máximo es pequeño en comparación con el voltaje directo máximo. Por ejemplo, los diodos túnel enumerados en la tabla anterior tienen un voltaje directo máximo de hasta 500 V; la clasificación PIV para todos ellos es de sólo 40 V.
Ventajas del diodo túnel
Son dispositivos duraderos y de bajo costo adecuados para aplicaciones de alta frecuencia y alta velocidad. Son fáciles de fabricar y ofrecen operación de conmutación de alta velocidad con bajo ruido de señal.
Desventajas del diodo túnel
Los diodos túnel son dispositivos de baja potencia y presentan fluctuaciones en el voltaje de salida. Como cualquier diodo, el circuito de salida y entrada de un diodo túnel no se puede aislar como un dispositivo de dos terminales. Tampoco es posible fabricar diodos túnel a gran escala.
Aplicaciones de diodos de túnel
Un diodo túnel es un dispositivo de baja potencia que no se utiliza con frecuencia en circuitos electrónicos. Debido a la operación de conmutación de alta velocidad, se utilizan en aplicaciones de alta frecuencia de corriente pequeña. La región de resistencia negativa del diodo túnel se utiliza para diseñar circuitos osciladores y amplificadores de reflexión. Dado que el diodo túnel permanece en estado conductor tanto en polarización directa como inversa, también se utiliza como convertidor de frecuencia. En los circuitos digitales, estos diodos se utilizan como almacenamiento de memoria lógica.
