トンネルダイオード

トンネルダイオード

1N3716 トンネルダイオード (スケール用 0.1 インチジャンパー付き)
タイプ	受け身
動作原理	量子トンネル効果
発明家	江崎玲於奈 黒瀬百合子[1]
最初の生産	ソニー
ピン名	陽極と陰極
電子シンボル

トンネルダイオードまたはエサキダイオードは、量子力学的効果であるトンネリングにより実質的に「負性抵抗」を持つ半導体ダイオードの一種である。1957年8月、東京通信工業（現ソニー）で働いていた江崎玲於奈と黒瀬百合子によって発明された。^{[1] [2] [3] [4]} 1973年、江崎は半導体における電子トンネル効果の実験的実証によりノーベル物理学賞を受賞した。 ^[5]ロバート・ノイスはウィリアム・ショックレーのもとで働いていたときにトンネルダイオードのアイデアを独自に考案したが、追求することを思いとどまった。^[6]トンネルダイオードは1957年にソニーによって初めて製造され、^{[7] 1960年頃から}ゼネラル・エレクトリックや他の企業によって製造され、現在でも少量生産されている。^[8]

トンネルダイオードには、約 10 nm (100  Å ) 幅の高濃度ドープされた 正負 (PN) 接合があります。高濃度ドープによりバンドギャップが破壊され、 N 側の伝導帯の電子状態がP 側の価電子帯の正孔状態とほぼ揃います。トンネルダイオードは通常ゲルマニウムで作られていますが、ガリウムヒ素、ガリウムアンチモン (GaSb)、シリコン材料で作ることもできます。

動作範囲の一部で負性微分抵抗を持つため、発振器や増幅器として機能したり、ヒステリシスを利用したスイッチング回路で使用したりできます。また、周波数変換器や検出器としても使用されます。^{[9] ：7–35}静電容量が低いため、通常のダイオードやトランジスタの範囲をはるかに超えるマイクロ波周波数で機能します。

トンネルダイオードは出力が低いため、広く使用されていません。電圧振幅が小さいため、無線周波数出力は数百ミリワットに制限されます。しかし、近年、トンネルメカニズムを使用する新しいデバイスが開発されています。共鳴トンネルダイオード（RTD）は、あらゆる固体発振器の中で最も高い周波数のいくつかを達成しています。^[10]

トンネルダイオードの別のタイプは金属-絶縁体-絶縁体-金属（MIIM）ダイオードであり、追加の絶縁層により「ステップトンネル」が可能になり、ダイオードをより正確に制御できます。^[11]金属-絶縁体-金属（MIM）ダイオードもありますが、固有の感度のため、現在の用途は研究環境に限定されているようです。^[12]

通常の順方向バイアス動作では、電圧が増加し始めると、電子は最初に非常に狭い PN 接合バリアをトンネルし、N 側の伝導帯の電子状態を満たし、PN 接合の P 側の空の価電子帯の正孔状態と整列します。電圧がさらに増加すると、これらの状態はますます不整列になり、電流が低下します。電圧の増加とともに電流が減少するため、これを負性微分抵抗と呼びます。電圧が一定の遷移点を超えて増加すると、ダイオードは通常のダイオードとして動作し始め、電子は PN 接合を伝導して移動し、P-N 接合バリアをトンネルすることはなくなります。トンネル ダイオードの最も重要な動作領域は「負性抵抗」領域です。そのグラフは通常の PN 接合ダイオードとは異なります。

逆方向で使用する場合、トンネル ダイオードはバック ダイオード(または逆方向ダイオード)と呼ばれ、オフセット電圧がゼロで電力信号に対して極めて直線的な高速整流器として機能します(逆方向では正確な二乗則特性を持ちます)。逆バイアスでは、P 側の充填状態が N 側の空の状態と次第に揃うようになり、電子は逆方向に PN 接合バリアをトンネルします。

従来の半導体ダイオードでは、PN 接合が順方向にバイアスされているときに伝導が行われ、接合が逆方向にバイアスされているときに電流の流れがブロックされます。これは、「逆方向ブレークダウン電圧」と呼ばれるポイントまで発生し、そのポイントで伝導が始まります (多くの場合、デバイスの破壊を伴います)。トンネル ダイオードでは、P 層と N 層のドーパント濃度が、逆方向ブレークダウン電圧がゼロになり、ダイオードが逆方向に伝導するレベルまで増加します。ただし、順方向にバイアスされると、量子力学的トンネル効果と呼ばれる効果が発生し、電圧対電流の挙動において、順方向電圧の増加が順方向電流の減少を伴う領域が発生します。この「負性抵抗」領域は、通常、四極管熱電子バルブ (真空管) を使用するダイナトロン発振器のソリッド ステート バージョンで利用できます。

トンネルダイオードは、テトロードよりもはるかに高い周波数、つまりマイクロ波帯域で動作するため、発振器や高周波しきい値（トリガー）デバイスとして大きな可能性を示しました。トンネルダイオードの用途には、UHFテレビチューナーの局部発振器、オシロスコープのトリガー回路、高速カウンタ回路、および非常に高速な立ち上がり時間のパルス発生器回路が含まれます。1977年、Intelsat  V衛星受信機は、14〜15.5GHzの周波数帯域でマイクロストリップトンネルダイオード増幅器（TDA）フロントエンドを使用しました。このような増幅器は最先端のものと考えられており、高周波ではトランジスタベースのフロントエンドよりも優れた性能を発揮しました。^[13]トンネルダイオードは、低ノイズのマイクロ波増幅器としても使用できます。^{[9] : 13–64}発見されて以来、より一般的な半導体デバイスが、従来の発振器技術を使用してその性能を超えています。多くの目的で、電界効果トランジスタなどの3端子デバイスは、2端子のみのデバイスよりも柔軟性があります。実用的なトンネルダイオードは数ミリアンペア、数十分の1ボルトで動作し、低電力デバイスとなっています。^[14]ガンダイオードは同様の高周波機能を備えており、より大きな電力を処理できます。

トンネルダイオードは他のダイオードよりも電離放射線に対する耐性が優れています。^[要出典]これにより、トンネルダイオードは宇宙空間のような高放射線環境に適しています。

トンネルダイオードは過熱による損傷を受けやすいため、はんだ付けする際には特別な注意が必要です。

トンネルダイオードは寿命が長いことで有名で、1960年代に作られたデバイスが今でも機能している。ネイチャー誌に寄稿したエサキ氏と共著者は、半導体デバイスは一般的に非常に安定しており、室温で保管すればその寿命は「無限」であるはずだと述べている。さらに、50年前のデバイスを小規模にテストした結果、「ダイオードの寿命が十分に確認された」と報告している。エサキダイオードのいくつかのサンプルで見られるように、金メッキされた鉄のピンは実際に腐食してケースにショートすることがある。これは通常、電話のPCBの修理に通常使用される過酸化水素と酢を使った簡単な技術で診断および治療でき、内部のダイオードは通常まだ機能している。^[15]

ロシアの余剰部品も信頼性が高く、元のコストが30～50ポンドの範囲であるにもかかわらず、数ペンスで購入できることが多い。通常販売されているユニットはGaAsベースで、約1～20mA I _pkでI _pk ⁄ I _v 比が5:1であるため、過電流から保護される必要がある。^[16]

ウィキメディア・コモンズには、トンネルダイオードに関連するメディアがあります。

• 「トンネルダイオードのチュートリアル」。