Un diodo túnel o diodo Esaki es un tipo de diodo semiconductor que tiene efectivamente una " resistencia negativa " debido al efecto mecánico cuántico llamado tunelización . Fue inventado en agosto de 1957 por Leo Esaki , Yuriko Kurose y Takashi Suzuki cuando trabajaban en Tokyo Tsushin Kogyo, ahora conocida como Sony . [1] [2] [3] [4] En 1973, Esaki recibió el Premio Nobel de Física , junto con Brian Josephson , por descubrir el efecto de túnel de electrones utilizado en estos diodos. Robert Noyceideó de forma independiente la idea de un diodo de túnel mientras trabajaba para William Shockley , pero se desanimó de seguirlo. [5] Los diodos de túnel fueron fabricados por primera vez por Sony en 1957, [6] seguidos por General Electric y otras empresas desde aproximadamente 1960, y todavía se fabrican en bajo volumen en la actualidad. [7]
Los diodos de túnel tienen una unión positiva a negativa (PN) fuertemente dopada de aproximadamente 10 nm (100 Å ) de ancho. El dopaje fuerte da como resultado una banda prohibida rota , donde los estados de los electrones de la banda de conducción en el lado N están más o menos alineados con los estados de los agujeros de la banda de valencia en el lado P. Por lo general, están hechos de germanio , pero también pueden estar hechos de arseniuro de galio y materiales de silicio .
Su resistencia diferencial "negativa" en parte de su rango operativo les permite funcionar como osciladores y amplificadores , y en circuitos de conmutación usando histéresis . También se utilizan como convertidores de frecuencia y detectores . [8] : 7-35 Su baja capacitancia les permite funcionar a frecuencias de microondas , muy por encima del rango de diodos y transistores ordinarios .
Debido a su baja potencia de salida, los diodos de túnel no se utilizan ampliamente: su salida de RF está limitada a unos pocos cientos de milivatios debido a su pequeña variación de voltaje. En los últimos años, sin embargo, se han desarrollado nuevos dispositivos que utilizan el mecanismo de tunelización. El diodo de efecto túnel resonante (RTD) ha alcanzado algunas de las frecuencias más altas de cualquier oscilador de estado sólido . [9]
Otro tipo de diodo de túnel es un diodo de metal-aislante-aislante-metal (MIIM), donde una capa aislante adicional permite un " túnel escalonado " para un control más preciso del diodo. [10] También existe un diodo metal-aislante-metal (MIM), pero debido a sensibilidades inherentes, su aplicación actual parece estar limitada a entornos de investigación. [11]
En el funcionamiento normal de polarización directa , a medida que el voltaje comienza a aumentar, los electrones en el primer túnel a través de la barrera de unión PN muy estrecha y llenan los estados de electrones en la banda de conducción en el lado N que se alinean con los estados vacíos de los agujeros de la banda de valencia en el lado P del empalme PN. A medida que aumenta el voltaje, estos estados se desalinean cada vez más y la corriente cae. Esto se llama resistencia diferencial negativa porque la corriente disminuye al aumentarVoltaje. A medida que aumenta el voltaje más allá de un punto de transición fijo, el diodo comienza a operar como un diodo normal, donde los electrones viajan por conducción a través de la unión PN y ya no atraviesan la barrera de la unión PN. La región operativa más importante para un diodo de túnel es la región de "resistencia negativa". Su gráfico es diferente del diodo de unión PN normal.