Fisica Moderna

DIODOS TUNEL

Leo Esaki presentó el diodo túnel en 1958. Sus características son diferentes de las de cualquier diodo en la que tiene una región de resistencia negativa. En esta región, un incremento del voltaje terminal reduce la corriente en el diodo.

El diodo túnel se fabrica dopando los materiales semiconductores que formarán la unión pn a un nivel de 100 a varios miles de veces el de un diodo semiconductor típico. Esto reduce en gran medida la región de empobrecimiento, a una magnitud de 10-6cm, o por lo general a aproximadamente 1\100 del ancho de esta región en el caso de un diodo semiconductor. Esta delgada región de empobrecimiento, a través de la cual muchos portadores pueden “penetrar” en lugar de que intenten superarla, a bajos potenciales de polarización en directa es la responsable del pico que aparece en la curva de la figura anterior. Para propósitos de comparación, la característica de un diodo semiconductor típico se superpone a la característica del diodo túnel de la figura dada anteriormente.

Esta región de empobrecimiento reducida hace que los portadores la “penetren” a velocidades que exceden por mucho las disponibles con diodos convencionales. El diodo túnel se puede utilizar por consiguiente en aplicaciones de alta velocidad, como en computadoras, donde se desean tiempos de conmutación de nanosegundos o picosegundos.

Recuerde que en los diodos zener nos referimos a que un incremento del nivel de dopado reduce el potencial Zener. Observe el efecto de un muy alto nivel de dopado en esta región en la figura anterior. Los materiales semiconductores más frecuentemente utilizados en la fabricación de diodos túnel son el germanio y el arseniuro de galio. La relación IP/IV es muy importante en aplicaciones de computadora. Para el germanio, en general es de 10:1 y para el arseniuro de galio es de cerca de 20:1.

La corriente pico IP de un diodo túnel puede variar desde algunos microamperios hasta varios cientos. El voltaje pico, sin embargo, está limitado a unos 600 mV. Por esta razón, un VOM simple con un potencial de batería de cd interna de 1.5 puede dañar severamente un diodo túnel si se aplica de manera incorrecta. El circuito equivalente de diodo túnel en la región de resistencia negativa se da en la siguiente figura (con los símbolos de más uso para diodos túnel):

Los valores de los parámetros son típicos para unidades comerciales actuales. El inductor LS se debe sobre todo a los conductores terminales. El resistor RS se debe a los conductores, el contacto óhmico en la unión conductor-semiconductor, y a los materiales semiconductores mismos. La capacitancia C es la capacitancia de difusión en la unión y R es la resistencia negativa de la región. La resistencia negativa se utiliza en osciladores que describiremos más adelante.

El encapsulado o empaquetado de un diodo túnel plano de Advanced Semiconductor se muestra en la siguiente figura:

Mientras que los valores nominales máximos y características del dispositivo aparecen en la siguiente tabla:

Observe que existe un intervalo de valores pico para cada dispositivo, de modo que el proceso de diseño debe ser satisfactorio para el intervalo total de valores. No podemos decir qué valor pico resultará para un dispositivo particular. Este intervalo de valores es común para la mayoría de los diodos túnel, de modo que los diseñadores deben estar enterados de esta cuestión. Curiosamente, el voltaje en el valle se mantiene bastante constante a 0.13 V, el cual es de manera significativa menor que el voltaje de encendido típico de un diodo de silicio. Para esta serie de diodos, la resistencia negativa oscila entre -80 y -180 ohms, un intervalo bastante grande para este importante parámetro. Varios diodos túnel sólo estipulan un valor constante como -250 ohms para una serie particular.

Aunque el uso de los diodos túnel en sistemas de alta frecuencia actuales se ha detenido dramáticamente debido a la disponibilidad de técnicas de fabricación de dispositivos alternativos, su sencillez, linealidad, bajo consumo de potencia y confiabilidad, aseguran su continuidad de uso y aplicación.

En la siguiente figura, el voltaje de alimentación y la resistencia de carga seleccionados definen una recta de carga que corta las características del diodo túnel en tres puntos:

Tenga en cuenta que sólo la red y las características del dispositivo determinan la recta de carga. Las intersecciones en a y b se conocen como puntos de operación estables por su característica de resistencia positiva. Es decir, en cualquiera de estos puntos de operación, una leve perturbación en la red no hará que ésta oscile o que cambie significativamente la ubicación del punto Q. Por ejemplo, si el punto de operación definido se encuentra en b, un leve aumento del voltaje de alimentación E moverá el punto de operación sobre la curva puesto que el voltaje a través del diodo se incrementará. Una vez que ha cesado la perturbación, el voltaje y la corriente asociada a través del diodo regresarán a los niveles definidos por

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