Dioda terowongan adalah jenis dioda khusus yang tidak bertindak seperti yang normal. Karena didoping dengan sangat berat, persimpangannya menjadi sangat tipis, sehingga elektron dapat melaluinya bahkan pada tegangan rendah. Ini menciptakan wilayah aneh yang disebut resistansi diferensial negatif, di mana arus dapat turun bahkan saat tegangan naik.
Dasar-dasar Dioda Terowongan
Dioda terowongan memiliki dua terminal, seperti dioda standar. Kedua ujungnya harus diidentifikasi dengan jelas karena perangkat dapat berperilaku berbeda dari dioda standar pada rentang tegangan tertentu.
Nama terminal
• Anoda → sisi tipe-p
• Katoda → sisi tipe-n
Fakta terminal
• Dalam bias maju, arus konvensional mengalir dari anoda → katoda.
• Polaritas masih penting, dan dioda terowongan juga dapat melakukan bias terbalik karena terowongan.
• Pada banyak paket fisik, katoda ditandai dengan pita atau titik.
Struktur dan Tunneling Kuantum dalam Dioda Terowongan
Dalam persimpangan p-n standar, daerah penipisan cukup lebar sehingga pembawa terutama melintasi penghalang dengan injeksi termal. Dioda terowongan dibangun secara berbeda: baik sisi p dan sisi n sangat banyak didoping, yang menekan daerah penipisan hingga hanya beberapa nanometer. Dengan penghalang tipis seperti itu, elektron dapat melewatinya dengan terowongan kuantum, sehingga arus yang terlihat dapat muncul pada tegangan maju yang sangat rendah.
Apa perubahan doping berat (menyebabkan efek →)
• Doping berat meningkatkan konsentrasi pembawa dan mempersempit wilayah penipisan.
• Daerah penipisan yang lebih tipis berarti penghalang energi yang lebih tipis di persimpangan.
• Ketika penghalang cukup tipis, pengangkut dapat membuat terowongan melewatinya alih-alih melewatinya.
• Ini memungkinkan konduksi tegangan rendah dan membuat perilaku persimpangan sangat bergantung pada geometri dan parameter material.
Apa arti terowongan dalam dioda ini
Dalam dioda normal, pembawa membutuhkan energi yang cukup untuk melewati penghalang. Dalam dioda terowongan, bahkan ketika energi pembawa berada di bawah puncak penghalang, ia masih dapat melewati penghalang karena mekanika kuantum, asalkan ada keadaan yang ditempati di satu sisi yang sejajar dengan keadaan kosong di sisi lain.
Implikasi desain praktis
• Kapasitansi persimpangan biasanya lebih tinggi karena daerah penipisan sangat tipis.
• Pemblokiran terbalik terbatas, dan tegangan kerusakan terbalik seringkali lebih rendah daripada dioda standar.
• Kinerja lebih sensitif terhadap variasi proses dan suhu, dan perilaku frekuensi tinggi sangat bergantung pada kapasitansi persimpangan dan induktansi paket/timbal.
Perbandingan cepat
| Aspek | Dioda Standar | Dioda Terowongan |
|---|---|---|
| Tingkat doping (urutan khas) | ~10¹⁶–10¹⁸ cm⁻³ | ~10¹⁹–10²⁰ cm⁻³ |
| Ketebalan penipisan | Lebih Luas | Sangat sempit |
| Cara utama penyeberangan | Sebagian besar melewati penghalang | Sebagian besar melalui penghalang (terowongan) |
| Pemblokiran terbalik | Seringkali kuat | Seringkali terbatas |
Tampilan Pita Energi dari Dioda Terowongan
Bias nol atau sangat kecil
Pada bias nol, terowongan dapat terjadi di kedua arah karena penghalangnya tipis. Arus bersih tetap mendekati nol karena terowongan dari p→n diimbangi dengan terowongan dari n→p.
Bias Maju Kecil: Naik Menuju Puncak (Ip di Vp)
Dengan bias maju kecil, pita energi bergeser sehingga keadaan terisi di satu sisi sejajar dengan keadaan kosong di sisi lain. Jumlah jalur terowongan yang tersedia meningkat, sehingga arus naik dengan cepat.
• Arus mencapai arus puncak Ip pada tegangan puncak Vp ketika penyelarasan paling kuat.
Bias Maju yang Lebih Tinggi: Turun ke Lembah (IV di Vv)
Saat tegangan maju meningkat di luar Vp, keselarasan pita menjadi lebih buruk. Lebih sedikit negara bagian yang berbaris, sehingga jalur terowongan menyusut. Arus terowongan berkurang meskipun tegangan meningkat.
• Ini adalah wilayah NDR, di mana dI/dV < 0.
• Arus turun ke arus lembah Iv pada tegangan lembah Vv.
Bias Maju Yang Lebih Tinggi: Konduksi Dioda Normal Mendominasi
Pada bias maju yang cukup tinggi, terowongan menjadi lemah karena keadaan tidak lagi selaras dengan baik untuk terowongan. Konduksi maju konvensional (difusi/injeksi) menjadi dominan, dan arus naik lagi dengan tegangan.
Kurva I-V Dioda Terowongan dan Parameter Utama
Dioda terowongan memiliki kurva I-V maju yang khas: arus naik ke puncak, lalu turun ke lembah, lalu naik lagi. "Penurunan saat tegangan naik" adalah wilayah resistansi diferensial negatif (NDR).
Cara membaca kurva (tingkat tinggi)
• 0 → Vp: jalur terowongan meningkat, arus naik dengan cepat.
• Vp → Vv: jalur terowongan berkurang, arus turun (NDR).
• V > Vv: konduksi dioda normal mendominasi, arus naik lagi.
Poin-poin penting pada kurva
• Vp (Peak Voltage): tegangan pada titik arus terowongan maksimum
• Ip (Arus Puncak): arus kanalisasi maju maksimum
• Vv (Valley Voltage): tegangan pada titik minimum setelah penurunan
• Iv (Arus Lembah): arus minimum sebelum konduksi normal naik dengan kuat
• Ip/IV (Rasio puncak-ke-lembah): menunjukkan seberapa jelas perilaku NDR
Wilayah Operasi Maju dan Catatan Bias
Wilayah A: Tunneling Tegangan Rendah (sekitar 0 hingga Vp)
• Gunakan saat Anda menginginkan perilaku konduksi tegangan rendah yang didominasi oleh terowongan.
• Jaga agar parasit tata letak tetap kecil jika sinyalnya cepat atau RF.
Wilayah B: Jendela NDR (Vp ke Vv)
• Ini adalah wilayah yang digunakan untuk osilator dan sirkuit RF resistansi negatif.
• Bias pada titik operasi yang stabil di dalam jendela NDR, bukan tepat di tepinya.
• Gunakan jaringan bias yang mencegah lompatan yang tidak diinginkan atau tidak diinginkan antar titik operasi.
• Minimalkan resistansi seri tambahan di mana Anda membutuhkan perilaku NDR yang kuat, karena resistansi seri mengurangi resistansi negatif yang efektif.
Wilayah C: Konduksi Maju Normal (di atas Vv)
• Perlakukan lebih seperti daerah dioda konvensional (arus naik dengan tegangan).
• Efek NDR tidak lagi dominan, jadi bukan wilayah untuk operasi resistensi negatif.
Pemeriksaan bias cepat (daftar kewarasan cepat)
• Verifikasi titik bias yang dimaksudkan terhadap data I-V perangkat (Ip, Vp, Iv, Vv).
• Periksa penyimpangan suhu: Pergeseran Vp/Ip/Iv dapat memindahkan titik operasi.
• Periksa parasit: Induktansi Co dan paket dapat membentuk kembali IV yang tampak pada frekuensi tinggi.
• Konfirmasikan stabilitas dengan jaringan di sekitarnya (terutama dalam operasi NDR).
Bias Terbalik dan Mode Dioda Mundur
Dioda terowongan dapat menghantarkan arus yang nyata bahkan dalam bias terbalik karena daerah penipisannya rapuh. Ketika tegangan balik kecil diterapkan, tingkat energi dapat berbaris, memungkinkan operator untuk membuat terowongan ke arah sebaliknya. Konduksi terbalik pada tegangan rendah ini sering disebut mode dioda mundur.
Seperti apa terowongan terbalik
• Tegangan balik kecil menggeser keselarasan energi sehingga terowongan terjadi ke arah sebaliknya.
• Kanalisasi terbalik dapat mendukung: Deteksi RF tingkat rendah. Pencampuran atau konversi frekuensi (dalam beberapa pengaturan sirkuit)
Mengapa tidak digunakan sebagai penyearah daya
• Konduksi terbalik dapat dimulai pada tegangan mundur rendah, sehingga pemblokiran terbalik terbatas.
• Penanganan tegangan terbalik biasanya jauh lebih rendah daripada di banyak dioda daya.
Bahan Dioda Terowongan dan Ip / IV
| Bahan | Celah pita (perkiraan) | Kecenderungan terowongan |
|---|---|---|
| Ge (Germanium) | ~0,66 eV | Kuat pada tegangan rendah |
| GaAs (Gallium Arsenide) | ~1,42 eV | Kuat dengan kontrol yang baik |
| Si (Silikon) | ~1,12 eV | Biasanya lebih lemah |
Sirkuit Setara Dioda Terowongan
| Elemen | Simbol | Mewakili | Efek utama |
|---|---|---|---|
| Resistensi negatif | −Ro | Kemiringan NDR di dekat titik bias | Memungkinkan penguatan atau osilasi dalam kondisi yang tepat |
| Kapasitansi persimpangan | Co | Kapasitansi persimpangan (penipisan) | Membatasi respons frekuensi tinggi dan memengaruhi resonansi |
| Resistensi seri | Rs | Kerugian internal | Mengurangi ketajaman dan menurunkan kinerja efektif |
| Induktansi seri | Ls | Induktansi timbal/paket | Pergeseran resonansi dapat memengaruhi stabilitas |
Aplikasi Dioda Terowongan
Osilator Gelombang Mikro dan Pembangkitan Sinyal RF
Dengan bias di wilayah NDR dan jaringan resonansi, dioda terowongan dapat menghasilkan osilasi RF dan gelombang mikro.
Penguat Refleksi dan Sirkuit Front-End RF
Resistansi negatifnya dapat dikombinasikan dengan jaringan impedansi untuk menghasilkan penguatan RF di sirkuit front-end berdaya rendah.
Osilator Relaksasi dan Sirkuit Pulsa
Wilayah NDR mendukung peralihan cepat antar titik operasi, yang dapat menciptakan bentuk gelombang pulsa dan waktu.
Radar dan Perangkat Keras Lama
Dioda terowongan masih muncul di beberapa peralatan lama, di mana perilaku perangkat telah terbukti dan didokumentasikan dengan baik.
Deteksi dan Konversi Frekuensi
Dalam mode dioda mundur, dioda terowongan dapat mendeteksi sinyal RF tingkat rendah pada tegangan rendah dan juga dapat mendukung konversi frekuensi.
Kesimpulan
Dioda terowongan bekerja karena doping berat membuat persimpangan sangat tipis sehingga terowongan kuantum menjadi jalur utama untuk arus. Hal ini mengarah pada kurva I-V puncak dan lembah yang terkenal dan daerah resistansi diferensial negatif. Fitur-fitur tersebut membuat dioda terowongan berguna untuk osilator RF dan gelombang mikro, deteksi sinyal kecil, dan sirkuit pulsa cepat. Mereka juga memiliki batasan, seperti penanganan tegangan dan daya rendah dan pemblokiran terbalik yang lemah.
Pertanyaan yang Sering Diajukan [FAQ]
Apa yang mengontrol rasio Ip/IV (puncak-ke-lembah)?
Tingkat doping, kualitas sambungan (cacat), celah pita material, dan suhu.
Bagaimana suhu mengubah perilaku dioda terowongan?
Ini menggeser Vp, Ip, dan Iv dan melemahkan wilayah NDR (sering menurunkan Ip / Iv), yang dapat memindahkan titik operasi dan mengurangi stabilitas.
Apa yang membatasi frekuensi praktis tertinggi dioda terowongan?
Kapasitansi persimpangan (Co), resistansi seri (Rs), dan induktansi paket/timbal (Ls).
Bisakah dioda terowongan rusak oleh bias yang tidak tepat?
Iya. Arus maju atau tegangan mundur yang berlebihan dapat menjadi terlalu panas atau merusak sambungan secara permanen dan mengubah karakteristik I-V.
Mengapa dioda terowongan tidak umum dalam desain modern?
Transistor frekuensi tinggi dan IC RF memberikan kontrol yang lebih baik, penguatan yang lebih tinggi, skalabilitas yang lebih baik, dan penanganan daya yang lebih besar.
Apa perbedaan dioda terowongan dengan dioda mundur?
Dioda mundur dioptimalkan untuk kanalisasi bias terbalik yang kuat (seringkali untuk deteksi bias nol), sedangkan dioda terowongan digunakan untuk operasi NDR maju.
