Un diodo túnel o diodo Esaki es un tipo de diodo semiconductor que efectivamente tiene " resistencia negativa " debido al efecto mecánico cuántico llamado túnel . Fue inventado en agosto de 1957 por Leo Esaki cuando trabajaba en Tokyo Tsushin Kogyo, ahora conocida como Sony . [1] [2] En 1973, Esaki recibió el Premio Nobel de Física por la demostración experimental del efecto túnel de electrones en semiconductores. [3] Robert Noyce ideó de forma independiente la idea de un diodo de túnel mientras trabajaba para William Shockley , pero se le disuadió de seguir adelante. [4] Los diodos de túnel fueron fabricados por primera vez por Sony en 1957, [5] seguidos por General Electric y otras compañías alrededor de 1960, y todavía se fabrican en bajo volumen en la actualidad. [6]
Los diodos de túnel tienen una unión positiva-negativa (PN) fuertemente dopada de aproximadamente 10 nm (100 Å ) de ancho. El fuerte dopaje da como resultado una banda prohibida rota , donde los estados electrónicos de la banda de conducción en el lado N están más o menos alineados con los estados de los huecos de la banda de valencia en el lado P. Generalmente están hechos de germanio , pero también pueden estar hechos de arseniuro de galio y materiales de silicio .
La resistencia diferencial negativa en parte de su rango operativo les permite funcionar como osciladores y amplificadores , y en circuitos de conmutación mediante histéresis . También se utilizan como convertidores de frecuencia y detectores . [7] : 7–35 Su baja capacitancia les permite funcionar en frecuencias de microondas , muy por encima del rango de diodos y transistores ordinarios .
Debido a su baja potencia de salida, los diodos túnel no se utilizan mucho: 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 túnel. El diodo de túnel resonante (RTD) ha alcanzado algunas de las frecuencias más altas de cualquier oscilador de estado sólido . [8]
Otro tipo de diodo túnel es un diodo metal-aislante-aislante-metal (MIIM), donde una capa aislante adicional permite un " tunelización por pasos " para un control más preciso del diodo. [9] También existe un diodo metal-aislante-metal (MIM), pero debido a sensibilidades inherentes, su aplicación actual parece estar limitada a entornos de investigación. [10]
Bajo una operación normal de polarización directa , a medida que el voltaje comienza a aumentar, los electrones al principio atraviesan la muy estrecha barrera de unión PN y llenan los estados de los electrones en la banda de conducción en el lado N, que se alinean con los estados vacíos de los huecos de la banda de valencia en el lado P. de la unión PN. A medida que el voltaje aumenta aún más, estos estados se desalinean cada vez más y la corriente cae. Esto se llama resistencia diferencial negativa porque la corriente disminuye al aumentar el voltaje. A medida que el voltaje aumenta más allá de un punto de transición fijo, el diodo comienza a funcionar como un diodo normal, donde los electrones viajan por conducción a través de la unión PN y ya no haciendo túneles a través de la barrera de la unión PN. La región operativa más importante de un diodo túnel es la región de "resistencia negativa". Su gráfico es diferente del diodo de unión PN normal.
Cuando se usan en la dirección inversa, los diodos de túnel se denominan diodos inversos (o diodos inversos ) y pueden actuar como rectificadores rápidos con voltaje de compensación cero y linealidad extrema para señales de potencia (tienen una característica de ley cuadrática precisa en la dirección inversa). Bajo 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 atraviesan la barrera de la unión PN en dirección inversa.
En un diodo semiconductor convencional, la conducción tiene lugar 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 inverso", en el cual comienza la conducción (a menudo acompañada 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 inverso se vuelve cero y el diodo conduce en dirección inversa. Sin embargo, cuando se polariza directamente, se produce un efecto llamado túnel mecánico cuántico 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 dynatron que normalmente utiliza una válvula termoiónica de tetrodo ( tubo de vacío ).
El diodo túnel se mostró muy prometedor como oscilador y dispositivo de umbral (disparador) de alta frecuencia, ya que operaba a frecuencias mucho mayores que las que podía operar el tetrodo: muy dentro de las bandas de microondas. Las aplicaciones de los diodos de túnel incluyeron osciladores locales para sintonizadores de televisión UHF , circuitos de activación en osciloscopios , circuitos contadores de alta velocidad y circuitos generadores de impulsos de tiempo de aumento muy rápido. En 1977, el receptor de satélite Intelsat V utilizaba un amplificador de diodo de túnel (TDA) de microcinta en la parte frontal de la banda de frecuencia de 14 a 15,5 GHz. Estos amplificadores se consideraban de última generación, con mejor rendimiento en altas frecuencias que cualquier interfaz basada en transistores . [11] El diodo túnel también se puede utilizar como amplificador de microondas de bajo ruido. [7] : 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 sólo dos terminales. Los prácticos diodos túnel funcionan a unos pocos miliamperios y unas décimas de voltio, lo que los convierte en dispositivos de baja potencia. [12] El diodo Gunn tiene una capacidad de alta frecuencia similar y puede manejar más potencia.
Los diodos túnel también son más resistentes a la radiación ionizante que otros diodos. [ cita necesaria ] Esto los hace muy adecuados para entornos de mayor radiación, como los que se encuentran en el espacio.
Los diodos túnel son susceptibles de sufrir daños por sobrecalentamiento, por lo que se necesita especial cuidado al soldarlos.
Los diodos de túnel se destacan por su longevidad, y los dispositivos fabricados en la década de 1960 todavía funcionan. En un artículo en Nature , Esaki y sus coautores 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 hace 50 años reveló una "confirmación gratificante de la longevidad del diodo". Como se observó en algunas muestras de diodos Esaki, las clavijas de hierro chapadas en oro pueden, de hecho, corroerse y provocar un cortocircuito en la carcasa. Por lo general, esto se puede diagnosticar y tratar con una técnica simple de peróxido/vinagre que normalmente se usa para reparar PCB de teléfonos y el diodo interno normalmente todavía funciona. [13]
Los componentes rusos sobrantes también son fiables y, a menudo, se pueden comprar por unos pocos peniques, a pesar de que el coste original oscila entre 30 y 50 libras esterlinas. Las unidades que normalmente se venden están basadas en GaAs y tienen una relación I pk ⁄ I v de 5:1 a alrededor de 1 a 20 mA I pk , por lo que deben protegerse contra sobrecorriente. [14]
