ટનલ ડાયોડ (એસાકી): વ્યાખ્યા, કામગીરી અને 1N3716 જેવા ઉદાહરણો

શું તમે ક્યારેય વિચાર્યું છે કે હાઇ-સ્પીડ ડિવાઇસને મિલિસેકન્ડમાં કાર્યો કરવા દેતા ઇલેક્ટ્રોનિક ઘટકો કેવી રીતે કાર્ય કરે છે? આનો જવાબ આધુનિક ઇલેક્ટ્રોનિક્સના સૌથી વિચિત્ર અને રસપ્રદ તત્વોમાંના એકમાં મળી શકે છે: ટનલ ડાયોડ, તરીકે પણ ઓળખાય છે એસાકી ડાયોડઆ ઉપકરણ, પરંપરાગત ઇલેક્ટ્રોનિક્સમાં ઓછું સામાન્ય હોવા છતાં, તેમાં અનન્ય ગુણધર્મો છે જે તેને ઉચ્ચ-આવર્તન અને ઉચ્ચ-સ્પીડ એપ્લિકેશનોમાં મુખ્ય ભૂમિકા આપે છે.

આ લેખમાં, આપણે ટનલ ડાયોડ્સની દુનિયા, તેમના મૂળ, તેમના ક્વોન્ટમ ઓપરેશન, તેઓ જે સામગ્રીમાંથી બનેલા છે, તેમની વિશિષ્ટ વિદ્યુત લાક્ષણિકતાઓ, ફાયદા અને મર્યાદાઓ અને વર્તમાન એપ્લિકેશનોનો અભ્યાસ કરીશું. આપણે ચોક્કસ મોડેલોની પણ સમીક્ષા કરીશું જેમ કે 1N3716 અથવા 1N3755આ નાના ઘટકે ઉદ્યોગમાં ક્રાંતિ કેમ લાવી અને તેની મર્યાદાઓ હોવા છતાં, તે અત્યાધુનિક ટેકનોલોજીમાં કેવી રીતે આવશ્યક રહે છે તે શોધવા માટે તૈયાર રહો.

ટનલ અથવા એસાકી ડાયોડ શું છે?

El ટનલ ડાયોડ, તરીકે પણ ઓળખાય છે એસાકી ડાયોડ તેના શોધક લીઓ એસાકીના નામ પરથી નામ આપવામાં આવ્યું છે, જેમને 1973 માં ભૌતિકશાસ્ત્રમાં નોબેલ પુરસ્કાર એનાયત કરવામાં આવ્યો હતો, તે એક ખાસ પ્રકારનો સેમિકન્ડક્ટર ડાયોડ છે જે તેના દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે ભારે ડોપ્ડ પીએન જંકશન અને સાંકડી. આ તીવ્ર ડોપિંગ ક્વોન્ટમ મિકેનિકલ ઘટનાને મંજૂરી આપે છે જેને ટનલ અસર, જેના દ્વારા ચાર્જ કેરિયર્સ સંભવિત અવરોધને પાર કરે છે, ભલે શાસ્ત્રીય કાયદા અનુસાર, તેઓએ તેમ ન કરવું જોઈએ.

પ્રમાણભૂત સિગ્નલ ડાયોડની તુલનામાં, જેમના PN જંકશનમાં અશુદ્ધિની સાંદ્રતા નોંધપાત્ર રીતે ઓછી હોય છે (લગભગ 1 ભાગ 10 માં⁸), ટનલ ડાયોડ ડોપિંગને આત્યંતિક સ્તરે લઈ જાય છે, લગભગ ૧૦ માં ૧ ભાગ³. આનાથી એક અવક્ષય અથવા ગરીબીનો અત્યંત સાંકડો ક્ષેત્ર, જે ટનલ અસર પ્રગટ કરવા માટે ચાવીરૂપ છે.

સંચાલન સિદ્ધાંત: ક્વોન્ટમ ટનલિંગ અસર

એનું ઓપરેશન ટનલ ડાયોડ તે ક્વોન્ટમ મિકેનિક્સ પર આધારિત છે, જ્યાં મર્યાદિત સંભાવના છે કે ઇલેક્ટ્રોન, જોકે તેમની પાસે શાસ્ત્રીય દૃષ્ટિકોણથી સંભવિત અવરોધને પાર કરવા માટે પૂરતી ઊર્જા નથી, તેમ છતાં તે તેમાંથી પસાર થઈ શકે છે જાણે કે તેઓ તેમાંથી "ટનલિંગ" કરી રહ્યા હોય. ટનલિંગ સંભાવના અવરોધ જેટલો નીચો થાય છે તેટલો વધે છે, જે ડાયોડના PN જંકશનમાં ડોપેન્ટ્સની ઊંચી સાંદ્રતા સાથે ચોક્કસ રીતે પ્રાપ્ત થાય છે.

ગાણિતિક રીતે, કણ અવરોધને પાર કરે તેની સંભાવના P બંને પર ઘાતાંકીય રીતે આધાર રાખે છે અવરોધ ઊર્જા (Eb) તેમના મુજબ પહોળા (પ):
P α exp(-A × Eb × W)
જ્યાં A એ પદાર્થના ગુણધર્મો સાથે સંબંધિત સ્થિરાંક છે. મુખ્ય વાત એ છે કે, ટનલ ડાયોડમાં, આ અવરોધ એટલો પાતળો છે કે ઇલેક્ટ્રોન તેને પાર કરવા માટે સૈદ્ધાંતિક કરતાં ઓછી ઊર્જા પણ પૂરતી છે.

બાંધકામ અને સામગ્રી: સિલિકોનથી આગળ

પરંપરાગત સિલિકોન ડાયોડથી વિપરીત, ટનલ ડાયોડ્સ તેઓ સામાન્ય રીતે આ સાથે બનાવવામાં આવે છે જર્મનિયમ, ગેલિયમ આર્સેનાઇડ o ગેલિયમ એન્ટિમોનાઇડસિલિકોનનો ઉપયોગ ન કરવાનું કારણ એ છે કે ઉપરોક્ત સામગ્રી મહત્તમ પ્રવાહ (પીક પ્રવાહ) અને લઘુત્તમ પ્રવાહ (ખીણ પ્રવાહ) વચ્ચે વધુ સારા ગુણોત્તર માટે પરવાનગી આપે છે, જે ઘટકના વ્યવહારિક ઉપયોગોમાં આવશ્યક છે. સામાન્ય PN જંકશનમાં નોંધપાત્ર જાડાઈનો અવક્ષય ક્ષેત્ર હોય છે; ટનલ ડાયોડમાં, આ ક્ષેત્ર 100 ગણો સાંકડો હોય છે, લગભગ 10 નેનોમીટર પર.

La અશુદ્ધિઓનું ઉચ્ચ પ્રમાણ PN જંકશનની બંને બાજુએ હોવાનો અર્થ એ છે કે મોટાભાગના ચાર્જ કેરિયર્સ (ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો) મોટી માત્રામાં હાજર છે, જે ખૂબ જ નાના સંભવિત તફાવતો પર પણ ટનલિંગ અસરને ટેકો આપે છે. પરિણામે, તે એક અત્યંત સંવેદનશીલ ઉપકરણ બની જાય છે, જે અલ્ટ્રા-ફાસ્ટ સ્વિચિંગ માટે યોગ્ય છે.

વિદ્યુત લાક્ષણિકતાઓ: નકારાત્મક પ્રતિકાર અને VI વણાંકો

એક સૌથી આકર્ષક લક્ષણો ટનલ ડાયોડનો મુખ્ય ભાગ એ છે કે તે બતાવે છે કે નકારાત્મક પ્રતિકાર તેના વોલ્ટેજ-કરંટ (VI) લાક્ષણિકતા વળાંકના એક ભાગમાં. આનો અર્થ એ થાય કે, જેમ જેમ આગળનો વોલ્ટેજ વધે છે, તેમ તેમ પ્રવાહ પહેલા ઝડપથી વધે છે જ્યાં સુધી તે મહત્તમ (પીક પોઇન્ટ) સુધી ન પહોંચે, પરંતુ પછી, જો વોલ્ટેજ વધુ વધે છે, તો પ્રવાહ ન્યૂનતમ (ખીણ બિંદુ) સુધી ઘટે છે, અને પછી પરંપરાગત ડાયોડની જેમ ફરીથી વધે છે.

આ ઘટના, નકારાત્મક પ્રતિકાર ક્ષેત્ર, ઘણા ટનલ ડાયોડ એપ્લિકેશનો માટેનો આધાર છે, જેમ કે ઉચ્ચ-આવર્તન ઓસિલેશનનું ઉત્પાદન. લાક્ષણિક વળાંકનો સારાંશ નીચેના મુખ્ય મુદ્દાઓમાં આપી શકાય છે:

• પ્રારંભિક વહન ક્ષેત્ર: વધતા સીધા વોલ્ટેજ સાથે પ્રવાહ વધે છે.
• પીક પોઇન્ટ: સંકળાયેલ વોલ્ટેજ (Vp) સાથે મહત્તમ પ્રવાહ (Ip).
• નકારાત્મક પ્રતિકાર ક્ષેત્ર: વોલ્ટેજ વધે તો પણ પ્રવાહ ઘટે છે, જ્યાં સુધી તે ખીણ બિંદુ સુધી ન પહોંચે.
• વેલી પોઇન્ટ: વેલી વોલ્ટેજ (Vv) સાથે ન્યૂનતમ પ્રવાહ (Iv).
• અહીંથી, વર્તન સામાન્ય ડાયોડ જેવું જ છે.

વિપરીત પૂર્વગ્રહમાં, ટનલ ડાયોડ તેમાં નોંધપાત્ર વાહકતા પણ છે, ટનલ અસરને કારણે, જે ઓછા વોલ્ટેજ પર પણ ઉચ્ચ રિવર્સ કરંટને ફરવા દે છે.

વિદ્યુત પ્રતીક અને સમકક્ષ સર્કિટ

El પ્રતીકવિજ્ .ાન ઇલેક્ટ્રિકલ સ્કીમેટિક્સમાં ટનલ ડાયોડનું પ્રતિનિધિત્વ થોડું અલગ હોઈ શકે છે, પરંતુ મૂળભૂત રીતે તેના ખાસ વર્તનને ચિહ્નિત કરવા માટે એક વિશિષ્ટ આકાર સાથે PN જંકશન દર્શાવે છે. એનોડ (P) અને કેથોડ (N) સ્પષ્ટ રીતે અલગ પડેલા છે.

આ માટે સર્કિટ વિશ્લેષણ, એક નાના-સિગ્નલ સમકક્ષ મોડેલનો ઉપયોગ થાય છે જેમાં શામેલ છે:

• ઉના નકારાત્મક પ્રતિકાર (-R_o) નકારાત્મક પ્રતિકાર ક્ષેત્ર સાથે સંકળાયેલ.
• ઉના શ્રેણી ઇન્ડક્ટન્સ (L_s) ડાયોડ ટર્મિનલ્સ પર.
• ઉના જંકશન કેપેસીટન્સ (C).

તત્વોનું આ સંયોજન ઉચ્ચ-આવર્તન એપ્લિકેશનોમાં ટનલ ડાયોડના વર્તનને પ્રતિબિંબિત કરે છે અને વિવિધ પરિસ્થિતિઓમાં તેના પ્રતિભાવની આગાહી કરવા માટે જરૂરી છે.

ટનલ ડાયોડના મુખ્ય ઉપયોગો

તેના કારણે વ્યક્તિની ડ્રાઇવિંગ સ્થિતિને ઝડપથી બદલવાની અસાધારણ ક્ષમતા, ટનલ ડાયોડ ખાસ કરીને આ માટે સૂચવવામાં આવે છે:

• માઇક્રોવેવ અને ઉચ્ચ આવર્તન ઓસિલેટર: તેઓ ટેલિકોમ્યુનિકેશન, રડાર અને વાયરલેસ સિસ્ટમમાં આવશ્યક સ્થિર વિદ્યુત ઓસિલેશન બનાવવા અને જાળવવા માટે નકારાત્મક પ્રતિકાર ક્ષેત્રનો લાભ લે છે.
• પ્રતિબિંબ એમ્પ્લીફાયર: એવા રૂપરેખાંકનોમાં વપરાય છે જ્યાં પરંપરાગત ટ્રાન્ઝિસ્ટર સારી રીતે કામ કરતા નથી તેવા ફ્રીક્વન્સીઝ પર એમ્પ્લીફિકેશન જરૂરી હોય છે.
• હાઇ-સ્પીડ સ્વીચો: ડ્રાઇવિંગ અને ડ્રાઇવિંગ ન કરતી સ્થિતિઓ વચ્ચે લગભગ તાત્કાલિક સંક્રમણને કારણે.
• ફ્રીક્વન્સી કન્વર્ટર: ફોરવર્ડ અને રિવર્સ બાયસ બંનેમાં કામ કરવાની તેની ક્ષમતા સિગ્નલ મિક્સરમાં તેનો ઉપયોગ કરવાની મંજૂરી આપે છે.
• ડિજિટલ સર્કિટમાં લોજિકલ યાદો: નકારાત્મક પ્રતિકાર ક્ષેત્રમાં તેની સ્થિરતાનો ઉપયોગ માહિતીના કામચલાઉ સંગ્રહ માટે થાય છે.

જોકે તેઓ ઉચ્ચ આવર્તન માટે ફાયદા આપે છે, પરંપરાગત સુધારણા માટે યોગ્ય નથી નોંધપાત્ર રિવર્સ બાયસ લિકેજ કરંટને કારણે, જે તેના વ્યાપક ઉપયોગને મર્યાદિત કરે છે.

ટનલ ડાયોડના ફાયદા અને ગેરફાયદા

El ટનલ ડાયોડ તેના અનન્ય ગુણધર્મો છે, જેમાં ફાયદા અને ગેરફાયદા બંને ધ્યાનમાં લેવા જોઈએ. તેના ફાયદાઓમાં, એક અતિ-ઝડપી કાર્યકારી ગતિ y ઓછો અવાજજોકે, તેની મર્યાદાઓ પણ છે, જેમ કે ઓછી મહત્તમ શક્તિ અને ઓપરેટિંગ વોલ્ટેજ પર પ્રતિબંધો.

• ફાયદા:
  • અતિ-ઉચ્ચ ઓપરેટિંગ ગતિ, માઇક્રોવેવ બેન્ડમાં સ્વિચિંગ અને સિગ્નલ જનરેશન માટે યોગ્ય.
  • ઓછો ઉત્પાદન ખર્ચ અને અન્ય ઉચ્ચ-આવર્તન ઉપકરણોની તુલનામાં રચનાત્મક સરળતા.
  • નીચા અવાજ સ્તર ઓપરેશન દરમિયાન.
  • સારી પર્યાવરણીય રોગપ્રતિકારક શક્તિ અને તેના મજબૂત બાંધકામને કારણે લાંબી સેવા જીવન.
• ગેરફાયદા:
  • ઓછી મહત્તમ શક્તિ, જે તેને ઊર્જા-સઘન એપ્લિકેશનો માટે અયોગ્ય બનાવે છે.
  • મર્યાદિત વોલ્ટેજ આઉટપુટ અને આઉટપુટ સિગ્નલમાં વધઘટ.
  • ઇનપુટ અને આઉટપુટ વચ્ચે કોઈ અલગતા નથી બે-ટર્મિનલ ઉપકરણ હોવાથી.
  • મોટા પાયે ઉત્પાદનમાં મુશ્કેલી અને કેટલાક માનક એપ્લિકેશનોમાં મર્યાદાઓ.

મોડેલો અને ઉદાહરણો: ટનલ ડાયોડ 1N3716 અને 1N3755

ઐતિહાસિક અને સૌથી વધુ ઉપયોગમાં લેવાતા મોડેલોમાં ટનલ ડાયોડ્સ બહાર .ભા 1N3716 y 1N3755, માઇક્રોવેવ પ્રયોગશાળાઓ, ટેલિકોમ્યુનિકેશન સ્ટેશનો અને પ્રોટોટાઇપ ડિઝાઇનમાં લોકપ્રિય. બંને ખૂબ જ ઊંચી ઓપરેટિંગ ફ્રીક્વન્સીને મંજૂરી આપવા અને નકારાત્મક પ્રતિકાર પ્રદેશોમાં અસરકારક રીતે પ્રતિભાવ આપવા દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે. સ્કોટ્કી ડાયોડ જેવા ચોક્કસ પ્રકારોનું જ્ઞાન ચોક્કસ સંદર્ભોમાં આ ઉપકરણોની સમજને પૂરક બનાવી શકે છે.

El 1N3716 તે ટનલ ડાયોડ્સની લાક્ષણિકતા વળાંક રજૂ કરે છે, જેમાં પ્રમાણમાં ઓછું પીક વોલ્ટેજ અને માઇક્રોવેવ એપ્લિકેશન્સ અને ઝડપી સ્વિચિંગ માટે શ્રેષ્ઠ પ્રતિભાવ ગતિ હોય છે. તેના ભાગ રૂપે, 1N3755 તે સમાન સ્પષ્ટીકરણો પ્રદાન કરે છે પરંતુ ઓપરેટિંગ વોલ્ટેજ અને વર્તમાન શ્રેણી જેવી વિગતોમાં ભિન્નતા ધરાવે છે, જે ચોક્કસ ઉચ્ચ-આવર્તન ઇલેક્ટ્રોનિક્સ ગોઠવણીમાં તેનો ઉપયોગ કરવાની મંજૂરી આપે છે.

અન્ય પ્રકારના ડાયોડ સાથે સરખામણી

ડાયોડ્સની દુનિયામાં સિગ્નલ ડાયોડ, ઝેનર ડાયોડ, સ્કોટ્ટી ડાયોડ અથવા રેક્ટિફાયર ડાયોડ જેવા વિવિધ પ્રકારો છે. ટનલ ડાયોડ તે મુખ્યત્વે આના દ્વારા અલગ પડે છે:

• સુધારણા માટે ઉપયોગી નહીં હોય ઊંચા રિવર્સ બાયસ લિકેજ કરંટને કારણે.
• સ્થિતિ ખૂબ ઝડપથી બદલવામાં સક્ષમ બનવું સ્કોટ્કી અથવા અન્ય હાઇ સ્પીડ ડાયોડ કરતાં.
• નો પ્રદેશ બતાવો ખૂબ જ નોંધપાત્ર નકારાત્મક પ્રતિકાર (બાકીના સામાન્ય ડાયોડમાં અસ્તિત્વમાં નથી).
• જરૂરી ચોક્કસ સામગ્રી અને ડોપિંગ સામાન્ય ડાયોડના સિલિકોનથી વિપરીત, તેની શ્રેષ્ઠ કામગીરી માટે.

આ લાક્ષણિકતાઓ ટનલ ડાયોડને એવા વિશિષ્ટ સ્થળોએ વિશિષ્ટ બનાવે છે જ્યાં અન્ય ઉપકરણો સ્પર્ધા કરી શકતા નથી, જોકે ગ્રાહક ઇલેક્ટ્રોનિક્સમાં તેનો ઉપયોગ મર્યાદિત છે.

વિગતવાર કામગીરી: ચક્ર VI ના તબક્કાઓ

તેના વર્તનને સમજવા માટે, તેના લાક્ષણિક વળાંકના દરેક તબક્કાનું વિશ્લેષણ કરવું જરૂરી છે:

• નાના ડાયરેક્ટ વોલ્ટેજનો ઉપયોગ કરીને, ટનલ અસરને કારણે ચાર્જ કેરિયર્સ જંકશનમાંથી પસાર થાય છે, જેનાથી ઓછો પ્રવાહ ઉત્પન્ન થાય છે.
• તણાવ વધવા સાથે, સંયોજકતા અને વાહકતા બેન્ડ ઓવરલેપ થાય છે, જેના કારણે ટોચ બિંદુ સુધી પહોંચે ત્યાં સુધી પ્રવાહમાં ઝડપી વધારો થાય છે.
• ટોચ પછી, બેન્ડનું ખોટું સંરેખણ ટનલીંગ ઘટાડે છે, ખીણ બિંદુ સુધી પ્રવાહ ઘટાડે છે.
• જેમ જેમ તણાવ વધતો જાય છે, વર્તન પરંપરાગત જંકશન જેવું લાગે છે, અને પ્રવાહ ફરીથી વધે છે.
• વિપરીત પૂર્વગ્રહ હેઠળ, ટનલ અસર હજુ પણ નોંધપાત્ર પ્રવાહને મંજૂરી આપે છે, જોકે મહત્તમ રિવર્સ વોલ્ટેજ સામાન્ય રીતે ઓછું હોય છે.

ઉપયોગની શરતો અને સંચાલન મર્યાદાઓ

El ટનલ ડાયોડ પ્રમાણમાં ઊંચા ડાયરેક્ટ વોલ્ટેજનો સામનો કરી શકે છે, કેટલાક મોડેલો 500 V સુધી પહોંચે છે, પરંતુ તેનું મહત્તમ રિવર્સ વોલ્ટેજ (PIV) તે સામાન્ય રીતે ઓછું હોય છે, સૌથી સામાન્ય ઉદાહરણોમાં લગભગ 40 V. નુકસાન ટાળવા માટે આ મર્યાદા ધ્યાનમાં રાખવી મહત્વપૂર્ણ છે.

વચ્ચેનો સંબંધ ટોચ પ્રવાહ અને ખીણ પ્રવાહ યોગ્ય મોડેલ પસંદ કરવા માટે તે એક મુખ્ય પરિમાણ છે, ખાસ કરીને ઓસિલેટર અને એમ્પ્લીફાયર એપ્લિકેશન્સમાં જ્યાં નકારાત્મક પ્રતિકાર ક્ષેત્રમાં સ્થિરતા અને સિગ્નલ કંપનવિસ્તાર જરૂરી છે.

રોજિંદા પરિસ્થિતિઓ જ્યાં ટનલ ડાયોડનો ઉપયોગ થાય છે

તેમના મર્યાદિત ઉપયોગ છતાં, ટનલ ડાયોડ્સ અહીં સ્થિત છે:

• માઇક્રોવેવ સંચાર સાધનો.
• ઉચ્ચ આવર્તન મીટર.
• ઇલેક્ટ્રોનિક ભૌતિકશાસ્ત્ર પ્રયોગશાળાઓમાં સિગ્નલ સ્ત્રોતો.
• રડાર સિસ્ટમ્સ જેને નેનોસેકન્ડ પ્રતિભાવોની જરૂર હોય છે.

નવી ટેકનોલોજી અને સામગ્રીનો પરિચય થયો હોવા છતાં, તેમની ગતિ અને વિશ્વસનીયતા તેમને ચોક્કસ વિશિષ્ટ ક્ષેત્રોમાં સુસંગત રાખે છે.