Un diodo túnel o diodo Esaki es un tipo de diodo semiconductor que tiene efectivamente " resistencia negativa " debido al efecto mecánico cuántico llamado tunelización . Fue inventado en agosto de 1957 por Leo Esaki y Yuriko Kurose cuando trabajaban en Tokyo Tsushin Kogyo, ahora conocida como Sony . [1] [2] [3] [4] En 1973, Esaki recibió el Premio Nobel de Física por la demostración experimental del efecto túnel de electrones en semiconductores. [5] Robert Noyce ideó de forma independiente la idea de un diodo túnel mientras trabajaba para William Shockley , pero se le desaconsejó seguir adelante. [6] Los diodos túnel fueron fabricados por primera vez por Sony en 1957, [7] seguido por General Electric y otras empresas a partir de 1960 aproximadamente, y todavía se fabrican en bajo volumen en la actualidad. [8]
Los diodos túnel tienen una unión positiva-negativa (PN) altamente dopada de aproximadamente 10 nm (100 Å ) de ancho. El fuerte dopaje da como resultado una brecha de banda rota , donde los estados de electrones de la banda de conducción en el lado N están más o menos alineados con los estados de huecos de la banda de valencia en el lado P. Por lo general, están hechos de germanio , pero también pueden estar hechos de arseniuro de galio , antimoniuro de galio (GaSb) y materiales de silicio .
La resistencia diferencial negativa en parte de su rango de operación les permite funcionar como osciladores y amplificadores , y en circuitos de conmutación mediante histéresis . También se utilizan como convertidores de frecuencia y detectores . [9] : 7–35 Su baja capacitancia les permite funcionar a frecuencias de microondas , muy por encima del rango de los diodos y transistores ordinarios .
Debido a su baja potencia de salida, los diodos túnel no se utilizan ampliamente: su salida de radiofrecuencia está limitada a unos pocos cientos de milivatios debido a su pequeña oscilación de voltaje. Sin embargo, en los últimos años se han desarrollado nuevos dispositivos que utilizan el mecanismo de tunelización. El diodo de tunelización resonante (RTD) ha alcanzado algunas de las frecuencias más altas de cualquier oscilador de estado sólido . [10]
Otro tipo de diodo túnel es el diodo metal-aislante-aislante-metal (MIIM), en el que una capa aislante adicional permite un " tunelaje escalonado " para un control más preciso del diodo. [11] También existe el diodo metal-aislante-metal (MIM), pero debido a sus sensibilidades inherentes, su aplicación actual parece estar limitada a entornos de investigación. [12]
En condiciones normales de funcionamiento con polarización directa , a medida que el voltaje comienza a aumentar, los electrones atraviesan primero la estrecha barrera de la unión PN y llenan los estados electrónicos de la banda de conducción del lado N, que se alinean con los estados de huecos de la banda de valencia vacía del lado P de la unión PN. A medida que el voltaje aumenta aún más, estos estados se desalinean cada vez más y la corriente disminuye. Esto se denomina resistencia diferencial negativa porque la corriente disminuye con el aumento del voltaje. A medida que el voltaje aumenta más allá de un punto de transición fijo, el diodo comienza a funcionar como un diodo normal, en el que los electrones viajan por conducción a través de la unión PN y ya no por túnel a través de la barrera de la unión PN. La región operativa más importante para un diodo túnel es la región de "resistencia negativa". Su gráfico es diferente al de un diodo de unión PN normal.
Cuando se utilizan en la dirección inversa, los diodos túnel se denominan diodos traseros (o diodos inversos ) y pueden actuar como rectificadores rápidos con voltaje de compensación cero y linealidad extrema para señales de potencia (tienen una característica precisa de ley cuadrática en la dirección inversa). Con polarización inversa , los estados llenos en el lado P se alinean cada vez más con los estados vacíos en el lado N, y los electrones ahora pasan por la barrera de unión PN en dirección inversa.
En un diodo semiconductor convencional, la conducción se produce mientras la unión PN está polarizada en directa y bloquea el flujo de corriente cuando la unión está polarizada en inversa. Esto ocurre hasta un punto conocido como "voltaje de ruptura inversa", en el que comienza la conducción (a menudo acompañado de la destrucción del dispositivo). En el diodo túnel, las concentraciones de dopante en las capas P y N aumentan a un nivel tal que el voltaje de ruptura inversa se vuelve cero y el diodo conduce en la dirección inversa. Sin embargo, cuando está polarizado en directa, se produce un efecto llamado tunelización mecánica cuántica que da lugar a una región en su comportamiento de voltaje frente a corriente donde un aumento en el voltaje directo va acompañado de una disminución en la corriente directa. Esta región de " resistencia negativa " se puede explotar en una versión de estado sólido del oscilador dinatrón que normalmente utiliza una válvula termoiónica de tetrodo ( tubo de vacío ).
El diodo túnel mostró una gran promesa como oscilador y dispositivo de umbral (disparador) de alta frecuencia, ya que operaba a frecuencias mucho mayores que las del tetrodo: bien en las bandas de microondas. Las aplicaciones de los diodos túnel incluyeron osciladores locales para sintonizadores de televisión UHF , circuitos de disparo en osciloscopios , circuitos contadores de alta velocidad y circuitos generadores de pulsos de tiempo de subida muy rápidos. En 1977, el receptor de satélite Intelsat V utilizó un amplificador de diodo túnel (TDA) de microbanda en la banda de frecuencia de 14-15,5 GHz. Dichos amplificadores se consideraron de última generación, con un mejor rendimiento a altas frecuencias que cualquier amplificador basado en transistores . [13] El diodo túnel también se puede utilizar como un amplificador de microondas de bajo ruido. [9] : 13–64 Desde su descubrimiento, los dispositivos semiconductores más convencionales han superado su rendimiento utilizando técnicas de oscilador convencionales. Para muchos propósitos, un dispositivo de tres terminales, como un transistor de efecto de campo, es más flexible que un dispositivo con solo dos terminales. Los diodos túnel prácticos funcionan con unos pocos miliamperios y unas pocas décimas de voltio, lo que los convierte en dispositivos de bajo consumo. [14] El diodo Gunn tiene una capacidad de alta frecuencia similar y puede manejar más potencia.
Los diodos de túnel también son más resistentes a la radiación ionizante que otros diodos. [ cita requerida ] Esto los hace muy adecuados para entornos de mayor radiación, como los que se encuentran en el espacio.
Los diodos de túnel son susceptibles a sufrir daños por sobrecalentamiento, por lo que se requiere especial cuidado al soldarlos.
Los diodos de túnel son notables por su longevidad, con dispositivos fabricados en la década de 1960 que aún funcionan. Esaki y sus coautores, en un artículo publicado en Nature , afirman que los dispositivos semiconductores en general son extremadamente estables y sugieren que su vida útil debería ser "infinita" si se mantienen a temperatura ambiente . Continúan informando que una prueba a pequeña escala de dispositivos de 50 años de antigüedad reveló una "confirmación gratificante de la longevidad del diodo". Como se observó en algunas muestras de diodos Esaki, las clavijas de hierro bañadas en oro pueden de hecho corroerse y provocar un cortocircuito en la carcasa. Esto generalmente se puede diagnosticar y tratar con una técnica simple de peróxido / vinagre que se usa normalmente para reparar las placas de circuito impreso de los teléfonos y el diodo en el interior normalmente todavía funciona. [15]
Los componentes rusos excedentes también son confiables y, a menudo, se pueden comprar por unos pocos centavos, a pesar de que el costo original está en el rango de £ 30-50. Las unidades que se venden normalmente están basadas en GaAs y tienen una relación I pk / I v de 5: 1 en alrededor de 1-20 mA I pk , por lo que deben estar protegidas contra sobrecorriente. [16]
