Tünel(Tunnel) Diyot Nedir ?

Tünel Diyot, Çok hızlı anahtarlama yeteneğine sahiptir.
Saf germanyum maddesine diğer diyotlara nazaran çok daha fazla katkı maddesı (galyum arsenit) katılmasıyla elde edilir.
Diğer diyotlardan ayırt edici bir özelliği de negatif direnç bölgesine sahip olmasıdır.
Tunel / Tunnel  diyotlar,özellikle mikro dalga alanında yükselteç ve osilatör olarak yararlanılmak üzere üretilmektedir. Tunel diyoda, esaslarını 1958 ‘de ilk ortaya koyan Japon Dr. Lee Esaki ‘nin adından esinlenerek “Esaki Diyodu” dan denmektedir.

Tünel diyotun çalışma prensibi

Tünel diyot  bir P-N eklemi cihazıdır. Aynı zamanda da negatif dirence sahiptir. Gerilim arttığında akan akım azalır ve tünel etkisi prensibine göre çalışır. Tünel diyot, Metal-Yalıtkan-Diyot’un (MIM) bir türüdür.

Tünel diyotta çok sayıda katkılanmış atomlar olduğundan, dışarıdan verilen enerji ile düz gerilimleme yaparak n tipi yani katotdan eklem bölgesine giden elektronlar, bariyere doğru hareket etmesi sağlanmış olunur. Tünel diyodun eklem ya da bariyer kısmı çok ince olduğundan Schrödinger’ın denklemine göre yapıda ter eğimleme olsa dahi elektron geçmesine izin verilmiş olunur. Bu işlem elektronlar üzerinde herhangi bir enerji kaybı olmadan gerçekleşir. İşte bu kuantum mekaniksel davranış ile tünel etkisi açıklanmış olunur. Yüksek katkılı P-N eklemi olan cihazlara bir nevi tünel diyot ismi verilmiş olundu. Tünel etkisi çoğunluk taşıyıcılı bir etki sağlar.

Bu denklemde:   

Eb: Bariyerin Enerjisi 

P: Bariyer engelini geçme ihtimali 

W: Bariyerin genişliği 

A: Katsayı

Tünel diyot yapısı

P-N birleşme yüzeyi çok ince olup, küçük gerilim uygulamalarında bile çok hızlı ve yoğun bir elektron geçişi sağlanmaktadır. Bu nedenledir ki Tünel Diyot, 10.000 MHz ‘e kadar ki çok yüksek frekans devrelerinde en çok yükselteç ve osilatör elemanı olarak kullanılır.
Tünel diyot, alçak güçlü bir PN bağlantısıdır. P ve N yarı iletken kısımları içinde oldukça fazla ve özel katkı maddeleri vardır.
Katkı atomlarının çok fazla olması nedeniyle çok ince olan DEPLETION (yayılım) bölgesinde çok sayıda taşıyıcıya sahiptir.
Bunun sonucu olarak sıfır volttan çok az DOĞRU yada TERS polarma uygulandığında N bölgesindeki atomların valans bandında bulunan elektronlar çok ince olan DEPLETION bölgesini geçerek P bölgesindeki CONDUCTION (iletim) bandına geçerler.
Bu tür akım mekanizması TUNNELING olarak adlandırılır. Tunnneling olayı Düz bayas altında yarı iletkenin tipine bağlı olarak birkaç milivolt ile birkaç yüz milivolt arasında oluşur.
Aşağıdaki şekilde tipik bir germanyum tünel diyodun V-I karakteristiği görülmektedir.

Şekilde de görüldüğü gibi diyot ters bayaslandığı zaman diyodun özelliğinden dolayı hemen iletime geçmektedir. Düz bayas konumunda da diyot derhal iletime geçmektedir. Diyot üzerindeki voltaj Vp değerine doğru yükseltiğinde, üzerinden geçen akımda Ip değerine doğru yükselir. Bu sıralarda diyodun iç direnci yaklaşık sabittir. Diyot üzerindeki voltaj Vp değerine eriştiğinde üzerinden geçen akım da Ip değerine erişir. Bu değere PEAK POINT yada TEPE NOKTASI adı verilir. Fakat diyot üzerindeki DÜZ polarma Vp noktasını geçtiği zaman diyottan akan Ip akımı azalmaya başlar. Yani diyonun iç direnci artmaya başlar. Bu durum diyot üzerindeki voltaj Vv değerine erişinceye kadar devam eder. Diyot üzerinden geçen akımın MINIMUM değere ulaştığı yere VALLEY POINT adı verilir. Diyot üzerindeki vojtaj Vv değerinin üzerine çıkarılmaya başlandığında, üzerinden geçen akım yeniden yükselemeye başlar, yani diyot normal bir diyot gibi çalışmaya başlar. TEPE NOKTASI ile MINIMUM arasındaki bölgede düz bayasın arttırılmasına karşın, diyot akımının azaldığı için bu bölge NEGATİF DİRENÇ etkisi göstermektedir. Kısa bir özet yapacak olursak; Tünel diyot, küçük DÜZ bayaslar altında NEGATİF DİRENÇ etkisi göstermektedir. Kullanım alanları; VHF ve UHF devrelerinde yükselteç, osilatör ve pals üretiçisi olarak kullanılabilir.Ayrıca Mantık ve Zamanlama devrelerinde de yüksek süratli anahtar olarak kullanılabilir.

Tünel diyot dezavantajları

1. Stabil değildir. Negatif dirençli olması nedeniyle kontrolü zordur.
2. Arzu edilmeyen işaretlere de kaynaklık yapmaktadır.

Tünel diyot avantajları

1. Çok yüksek frekansta çalışabilir.
2. Güç sarfiyatı çok düşüktür. 1mW ‘ı geçmemektedir.

Tünel diyot kullanım alanları

• Yükselteç olarak kullanılması

Tünel diyot, negatif direnci nedeniyle, uygun bir bağlantı devresinde kaynaktan çekilen akımı arttırmakta, dolayısıyla bu akımın harcandığı devredeki gücün yükselmesini sağlamaktadır.

• Osilatör olarak kullanılması

Tünel diyotlardan MHz mertebesinde osilatör olarak yararlanılabilmektedir. Bir tünel diyot ile osilasyon sağlayabilmek için negatif direncinin diğer rezonans elemanlarının pozitif direncinden daha büyük olması gerekir. Tünel diyoda Şekilde görüldüğü gibi seri bir rezonans devresi bağlanabilecektir. Tünel diyodun negatif direnci – R=80 Ohm olsun.

Rezonans devresinin direnci 80 Ohm ‘dan küçük ise tünel diyot bu devrenin dengesini bozacağından osilasyon doğacaktır.

• Anahtar olarak kullanılması

Tünel diyodun önemli fonksiyonlarından biri de elektronik beyinlerde multivibratörlerde,gecikmeli osilatörlerde,flip-flop devrelerinde ve benzeri elektronik sistemlerde anahtar görevi görmesidir.Ancak bu gibi yerlerdeki kullanılma durumları daha değişik özellik gösterdiğinden ayrı bir inceleme konusudur.

NOT:

Çok düsük bir gerilim altinda bile iletime geçebilme özelliginden dolayi bu tür diyotlar yüksek hiza sahip olurlar. Bu nedenle yüksek frekansli devrelerde , piko saniye gibi çok küçük zaman dilimlerinde anahtarlama yapabildigi için bilgisayar sistemlerinde kullanilirlar.
Tünel diyotlar çok düsük (0,2V gibi) gerilimlerde iletime geçebildiklerinden  avometre ile yapilacak hatali ölçümlerde kolaylikla arizalanabilir. Bu nedenle çok dikkatli olmak gerekir.