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隧道二極體

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隧道二極體
Tunnel diode
1N3716隧道二極體（旁邊2.54mm的jumper是比例尺）
類型被動元件
工作原理量子穿隧效應
發明江崎玲於奈
黒瀬百合子[1]
電路符號
針型陽極和陰極
10mA的鍺隧道二極體，裝在Tektronix 571曲線追蹤儀（英語：Curve tracer）的量測用端子上

隧道二極體（英語：Tunnel Diode），又稱江崎二極體、穿隧效應二體、穿隧二極體、透納二極體是一種有負阻特性的二極體，其負阻特性來自量子穿隧效應。隧道二極體是日本物理學家江崎玲於奈和黒瀬百合子（Yuriko Kurose）在1957年時發明的，當時他任職於東京通訊工業株式會社（現在的索尼）[1][2][3][4]。江崎玲於奈在1973年因為利用實驗展示了半導體中的量子穿隧效應，獲得諾貝爾物理學獎[5]。羅伯特·諾伊斯在為威廉·肖克利工作時也有有關隧道二極體的想法，但沒有繼續進行研究[6]。隧道二極體最早是由東京通訊工業株式會社（現在的索尼）在1957年製造[7]，後來通用電氣和其他公司在1960年代製造，目前仍有少量生產[8]。

此種二極體是由高摻雜的PN接面所形成（空乏區通常只有10奈米寬），高摻雜會產生晶格的破壞，讓N側的導帶電子排布和P側的價帶電子排布有一部份的對齊。常用鍺材製作，其他常用材料包括砷化鎵、銻化鎵或是矽。

用途

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隧道二極體在其部份工作範圍內存在負阻特性，可以可以用作電子振盪器以及放大器，以及用在利用遲滯現象的交流電路（英語：switching circuit）（switching circuit）裡。隧道二極體也用做混頻器以及無線電探測器（英語：detector (radio)）[9]:7–35。隧道二極體的電容量低，可以工作在微波頻率下，這是一般的二極體以及晶體管無法運作的條件。

8–12 GHz隧道二極體放大器，約在1970年

隧道二極體的輸出功率低，因此沒有廣泛的使用。其電壓擺動小，射頻功率輸出只能到數百微瓦。不過近年來已開發了其他使用穿隧效應的新元件。諧振隧穿二極管（RTD）的工作頻率已達到固態電子器件振盪器的最高頻率[10]。

另一種隧道二極體是金屬—絕緣體—絕緣體—金屬（MIIM）二極體，加上一層絕緣層，可以step tunneling，更精準的控制二極體[11]。也有存在金屬—絕緣體—金屬（英語：metal-insulator-metal）（MIM）二極體，但因為其本質上的高敏感度，目前應用只限在研究環境下[12]。

順向偏壓運作

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在一般順向偏壓（英語：forward bias）運作下，電壓會增加，第一個隧道的電子通過非常窄的P-N 接面能障，填滿N側的導通帶，而此導通帶開始和P-N接面中P側空的價帶對齊。電壓進一步上昇時，兩者的對齊情形會變差，因此電流下降。此情形下在電壓上昇時，電流下降，稱為負微分電阻的組態。在電壓超過固定的轉換點後，隧道二極體就會像一般的二極體一樣運作，電子藉由傳導通過P-N接面，不再利用穿隧效應通過P-N 接面能障。隧道最重要的工作區間就是負電阻區。其電壓電流關係圖和一般的二極體不同。

逆向偏壓運作

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主條目：反向二極體（英語：Backward diode）
隧道二極體的I V特性曲線圖。在V1和V2之間的灰色電壓區域有負電阻特性

隧道二極體用在逆向偏壓下，稱為反向二極體（英語：Backward diode）（backward diode或back diode），可以用作零偏移電壓的快速整流器，對功率信號有完美的線性度（其反向下有精準的平方律（英語：square-law detector）特性）。在逆向偏壓的條件下，P側已填滿電子的價態會越來越對正N側的空價態，電子會以反向依穿隧效應通過P-N接面能障。

技術比較

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10 mA 鍺隧道二極體的I-V曲線，是由Tektronix model 571 曲線追蹤儀所繪製

在傳統的半導體二極體中，當P-N接面順向偏壓時，元件會導通，而P-N接面逆向偏壓時，電流無法流通。不過當逆向偏壓的電壓大到逆向崩潰電壓（reverse breakdown voltage）時，又會導通。在隧道二極體中，P層和N層滲雜劑的濃度大到使逆向崩潰電壓變成0，二極體在逆向偏壓時可以導通。不過在順向偏壓時，在某個電壓區間內，會因為量子穿隧效應的影響，當電壓增加時，順向電流反而下降。這種負阻特性區間可以用作負電阻管振盪器（英語：dynatron oscillator）的固態電子版本，取代四極管熱離子閥（真空管）。

應用

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隧道二極體可運作在微波頻段，其頻率遠高於四極管可以達到的頻率，因此可用在振盪器以及高頻閾值（觸發）裝置上。隧道二極體的應用包括UHF電視調諧器的本身振盪器，示波器中的觸發電路，高速計數器電路，以及上昇時間非常短的脈波產生電路。1977年Intelsat（英語：Intelsat） V 通訊衛星接收器用了一個microstrip隧道二極體放大器前極，頻段在14–15.5 GHz。這類放大器是當時的先進技術，高頻下的性能比所有電晶體的前極都要好[13]。隧道二極體可以用做低雜訊的的微波放大器[9]:13–64。在此元件發現之後，越來越多的傳統半導體性能已超過以往使用傳統振盪器技術的性能。對於許多的應用來說，三端子的元件（例如場效應電晶體）靈活度會比只有二個極子的要大。實務應用上，隧道二極體運作需要電流只有幾個微安，電壓小於一伏特，因此是低功率設備[14]耿氏二極管的頻率運作範圍和隧道二極體類似，但可以處理較大的功率。

隧道二極體抗輻射強化的效果比其他二極體要好[來源請求]。因此適合用在高輻射的環境下（例如太空）。

壽命長

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隧道二極體容易因為過熱而損壞，因此在軟釺焊時需格外注意。

隧道二極體有個著名的的特點：壽命長，1960年代製作的元件仍能運作。江崎玲於奈等人在自然期刊中提到，一般而言這類半導體元件非常穩定，若存放在室溫以下，推測其壽命是無限的。他們後來用一批製作50年的元件進行小量的測試，發現「二極體的壽命有令人滿意的結果。」。就像在一些隧道二極體樣品中所發現的一樣，鍍金鐵引腳其實會失鏽，使得對外殼短路。這問題多半可以檢查出來，這可以用維修電話電路板常用的過氧化物及醋酸來處理，內部的隧道二極體仍可以運作[15]。

相關條目

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參考資料

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  1. ^ 1.0 1.1 US 3033714,發行於1962-05-08 
  2. ^ Esaki, Leo. New Phenomenon in Narrow Germanium p−n Junctions. Physical Review. 1958-01-15, 109 (2): 603–604. Bibcode:1958PhRv..109..603E. doi:10.1103/PhysRev.109.603. 
  3. ^ Esaki, Reona (Leo); Kurose, Yuriko; Suzuki, Takashi. Internal Field Emission at Ge P-N Junction. Physical Society of Japan 1957 annual meeting. 1957 [2024-07-07]. doi:10.11316/jpsgaiyoi.12.5.0_85. 
  4. ^ The Esaki Diode, Chapter 9 The Model 2T7 Transistor, Part I, Sony History. Sony Corporation. 1996 [2018-04-04]. 
  5. ^ The Nobel Prize in Physics 1973: Award ceremony speech. NobelPrize.org. [2023-12-17] （美國英語）. 
  6. ^ Berlin, Leslie. The Man Behind the Microchip: Robert Noyce and the Invention of Silicon Valley. Oxford University Press. 2005. ISBN 0-19-516343-5. 
  7. ^ ソニー半導体の歴史. （原始內容存檔於2009-02-02） （日語）. 
  8. ^ Rostky, George. Tunnel diodes: the transistor killers. EE Times. [2 October 2009]. （原始內容存檔於7 January 2010）. 
  9. ^ 9.0 9.1 Fink, Donald G. (編). Electronic Engineers Handbook. New York, NY: McGraw Hill. 1975. ISBN 0-07-020980-4. 
  10. ^ Brown, E.R.; Söderström, J.R.; Parker, C.D.; Mahoney, L.J.; Molvar, K.M.; McGill, T.C. Oscillations up to 712 GHz in InAs/AlSb resonant-tunneling diodes (PDF). Applied Physics Letters. 18 March 1991, 58 (20): 2291 [26 December 2012]. Bibcode:1991ApPhL..58.2291B. ISSN 0003-6951. doi:10.1063/1.104902. （原始內容 (PDF)存檔於23 September 2015）. 
  11. ^ Conley, John. Electronics advance moves closer to a world beyond silicon. OSU College of Engineering. 4 September 2013. 
  12. ^ The MIM diode: Another challenger for the electronics crown. SciTechStory. 19 November 2010 [4 January 2017]. （原始內容存檔於24 December 2016）. 
  13. ^ Mott, R.C. Intelsat V 14 GHz tunnel diode noise figure study. COMSAT Technical Review. November 1978, 8: 487–507. Bibcode:1978COMTR...8..487M. ISSN 0095-9669. 
  14. ^ Turner, L.W. (編). Electronics Engineer's Reference Book 4th. London, UK: Newnes-Butterworth. 1976: 8–18. ISBN 0-408-00168-2. 
  15. ^ Esaki, Leo; Arakawa, Yasuhiko; Kitamura, Masatoshi. Esaki diode is still a radio star, half a century on. Nature. 2010, 464 (7285): 31. Bibcode:2010Natur.464Q..31E. PMID 20203587. doi:10.1038/464031b 可免費查閱. 

外部連結

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