ثنائي النفق

📅 آخر تحديث: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة
صمام ثنائي نفق من الجرمانيوم بقوة 10 مللي أمبير مثبت في جهاز اختبار جهاز تتبع المنحنيات  Tektronix  571

ثنائي النفق، أو ثنائي إساكي، هو نوع من ثنائيات أشباه الموصلات يتميز بمقاومة سالبة فعّالة نتيجة لتأثير ميكانيكي كمي يُعرف باسم النفق الكمومي . اخترعه ليو إساكي ويوريكو كوروس في أغسطس 1957 أثناء عملهما في شركة طوكيو تسوشين كوجيو، المعروفة الآن باسم سوني . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] في عام 1973، حصل إساكي على جائزة نوبل في الفيزياء لإجرائه تجربة عملية أثبتت تأثير نفق الإلكترون في أشباه الموصلات. [ 5 ] ابتكر روبرت نويس فكرة ثنائي النفق بشكل مستقل أثناء عمله مع ويليام شوكلي ، لكنه لم يُشجع على مواصلة تطويرها. [ 6 ] بدأت سوني بتصنيع ثنائيات النفق لأول مرة عام 1957، [ 7 ] تلتها جنرال إلكتريك وشركات أخرى منذ حوالي عام 1960، ولا تزال تُصنع بكميات محدودة حتى اليوم. [ 8 ] 

تتميز ثنائيات النفق بوصلة PN مشوبة بشدة ، يبلغ عرضها حوالي 10 نانومتر (100 أنغستروم ). يؤدي التشويب الشديد إلى فجوة نطاق طاقة مكسورة ، حيث تتطابق حالات الإلكترونات في نطاق التوصيل على الجانب N تقريبًا مع حالات الثقوب في نطاق التكافؤ على الجانب P. تُصنع هذه الثنائيات عادةً من الجرمانيوم ، ولكن يمكن أيضًا تصنيعها من زرنيخيد الغاليوم ، وأنتيمونيد الغاليوم (GaSb)، والسيليكون .  

الاستخدامات

تسمح المقاومة التفاضلية السالبة في جزء من نطاق تشغيلها لها بالعمل كمذبذبات ومضخمات ، وفي دوائر التبديل باستخدام التخلف المغناطيسي . كما تُستخدم أيضًا كمحولات تردد وكواشف . [ 9 ] : 7-35 وتتيح سعتها المنخفضة لها العمل بترددات الميكروويف ، وهي أعلى بكثير من نطاق الثنائيات والترانزستورات العادية .

 مضخم ثنائي نفق بتردد 8-12 جيجاهرتز، حوالي عام 1970

نظراً لانخفاض قدرة خرجها، لا تُستخدم ثنائيات النفق على نطاق واسع. ويقتصر خرجها بترددات الراديو على بضع مئات من الميلي واط، بسبب تذبذب الجهد الضيق. في السنوات الأخيرة، طُوّرت أجهزة جديدة تستخدم آلية النفق. وقد حقق ثنائي النفق الرنيني (RTD) بعضاً من أعلى الترددات بين جميع مذبذبات الحالة الصلبة . [ 10 ]

يُعدّ ثنائي المعدن-العازل-العازل-المعدن (MIIM) نوعًا آخر من ثنائيات النفق ، حيث تسمح طبقة عازلة إضافية بـ" النفق المتدرج " للتحكم بدقة أكبر في الثنائي. [ 11 ] يوجد أيضًا ثنائي المعدن-العازل-المعدن (MIM)، ولكن نظرًا لحساسيته العالية، يبدو أن استخدامه الحالي يقتصر على بيئات البحث. [ 12 ]

عملية الانحياز الأمامي

في ظل التشغيل العادي بانحياز أمامي ، مع بدء زيادة الجهد ، تنفق الإلكترونات في البداية عبر حاجز وصلة PN الضيق جدًا، وتملأ مستويات الإلكترونات في نطاق التوصيل على الجانب N، والتي تتراصف مع مستويات الثقوب الفارغة في نطاق التكافؤ على الجانب P من وصلة PN. ومع زيادة الجهد أكثر، تزداد عدم تراصف هذه المستويات، وينخفض ​​التيار. يُسمى هذا بالمقاومة التفاضلية السالبة لأن التيار ينخفض ​​مع زيادة الجهد. وعندما يتجاوز الجهد نقطة تحول ثابتة، يبدأ الصمام الثنائي بالعمل كصمام ثنائي عادي، حيث تنتقل الإلكترونات بالتوصيل عبر وصلة PN، وليس عبر النفق من خلال حاجز وصلة P-N. تُعد منطقة "المقاومة السالبة" أهم منطقة تشغيل للصمام الثنائي النفقي، ويختلف منحنى أدائه عن منحنى أداء الصمام الثنائي ذي وصلة PN العادية.

عملية الانحياز العكسي

منحنى التيار مقابل الجهد مشابه لمنحنى خصائص ثنائي النفق. يحتوي على مقاومة تفاضلية "سالبة" في منطقة الجهد المظللة ، بين V1 و V2 .

عند استخدامها في الاتجاه المعاكس، تُسمى ثنائيات النفق ثنائيات خلفية ، ويمكنها العمل كمقومات سريعة ذات جهد إزاحة صفري وخطية فائقة لإشارات الطاقة (تتميز بخاصية قانون التربيع الدقيق في الاتجاه المعاكس). تحت تأثير الانحياز العكسي ، تتراصف الحالات الممتلئة على الجانب P بشكل متزايد مع الحالات الفارغة على الجانب N، وتنتقل الإلكترونات عبر حاجز وصلة PN في الاتجاه المعاكس.

مقارنات فنية

منحنى التيار مقابل الجهد لثنائي نفق الجرمانيوم 10  مللي أمبير، تم الحصول عليه على جهاز تتبع المنحنيات من طراز Tektronix  571 .

في ثنائي أشباه الموصلات التقليدي، يحدث التوصيل عندما يكون وصلة PN منحازة انحيازًا أماميًا، ويتوقف تدفق التيار عند انحيازها انحيازًا عكسيًا. يستمر هذا حتى نقطة تُعرف باسم "جهد الانهيار العكسي"، حيث يبدأ التوصيل (غالبًا ما يصاحبه تلف الجهاز). في ثنائي النفق، تزداد تركيزات الشوائب في طبقتي P وN إلى مستوى يجعل جهد الانهيار العكسي صفرًا ، فيصبح الثنائي موصلًا في الاتجاه العكسي. مع ذلك، عند الانحياز الأمامي، تحدث ظاهرة تُسمى النفق الكمومي، والتي تُنتج منطقة في منحنى الجهد مقابل التيار، حيث يصاحب زيادة الجهد الأمامي انخفاض في التيار الأمامي. يمكن استغلال منطقة " المقاومة السالبة " هذه في نسخة الحالة الصلبة من مذبذب الديناترون، الذي يستخدم عادةً صمامًا حراريًا رباعي الأقطاب ( أنبوبًا مفرغًا ).

التطبيقات

أظهر الصمام الثنائي النفقي إمكانات واعدة كمذبذب وجهاز عتبة (تشغيل) عالي التردد، نظرًا لقدرته على العمل بترددات أعلى بكثير من تلك التي يعمل بها الصمام الرباعي، وصولًا إلى نطاقات الموجات الميكروية. وشملت تطبيقات الصمامات الثنائية النفقية المذبذبات المحلية لأجهزة استقبال التلفزيون UHF ، ودوائر التشغيل في راسمات الإشارة ، ودوائر العدادات عالية السرعة، ودوائر توليد النبضات ذات زمن الصعود السريع جدًا. في عام 1977، استخدم جهاز استقبال القمر الصناعي Intelsat  V مضخمًا أماميًا من نوع مضخم الصمام الثنائي النفقي ذي الشريط الميكروي (TDA) في نطاق التردد 14-15.5 جيجاهرتز. واعتُبرت هذه المضخمات متطورة للغاية، إذ تفوقت في أدائها عند الترددات العالية على أي مضخم أمامي قائم على الترانزستور . [ 13 ] ويمكن أيضًا استخدام الصمام الثنائي النفقي كمضخم ميكروي منخفض الضوضاء. [ 9 ] : 13-64. ومنذ اكتشافه، تفوقت عليه أجهزة أشباه الموصلات التقليدية باستخدام تقنيات المذبذبات التقليدية. في العديد من التطبيقات، يُعدّ الجهاز ثلاثي الأطراف، مثل ترانزستور تأثير المجال، أكثر مرونة من الجهاز ثنائي الأطراف. تعمل ثنائيات النفق العملية بتيار بضعة ميلي أمبيرات وجهد بضعة أعشار فولت، مما يجعلها أجهزة منخفضة الطاقة. [ 14 ] يتمتع ثنائي غان بقدرة مماثلة على الترددات العالية، ويمكنه التعامل مع طاقة أكبر. 

تتميز الثنائيات النفقية بمقاومة أعلى للإشعاع المؤين مقارنةً بالثنائيات الأخرى، مما يجعلها مناسبة تمامًا للبيئات ذات الإشعاع العالي، مثل تلك الموجودة في الفضاء.

المذبذبات المستقرة بتقنية SAW

يتغير تردد التشغيل الحر لمذبذب ثنائي النفق المبني حول دائرة رنانة LC بتغير جهد الانحياز ودرجة الحرارة والحمل، نظرًا لانخفاض عامل الجودة للدائرة الرنانة . ولتحسين الاستقرار، يمكن استبدال الدائرة الرنانة برنان عالي الجودة أو ربطها به. وقد وُصفت مذبذبات ثنائي النفق التي يتم التحكم فيها بواسطة بلورة الكوارتز لأجهزة الإرسال منخفضة الطاقة وقصيرة المدى في كتيبات الإلكترونيات بحلول عام 1964، [ 15 ] كما تم بناء تصاميم عالية الاستقرار للأجهزة؛ وقد أبلغ فان ديغريفت عن مذبذب ثنائي النفق بدقة تصل إلى جزء من المليار عند درجات حرارة منخفضة للغاية في عام 1975. [ 16 ]

يستبدل شكل التردد الأعلى لنفس المبدأ خزان LC برنان الموجة الصوتية السطحية (SAW)، والذي يوفر عامل الجودة الخاص به (أعلى بكثير من 1000) والتردد المحدد طباعيًا استقرارًا أفضل بكثير من الخزان المجمع. [ 17 ] [ 18 ] وردت تقارير عن مذبذبات تجمع بين ثنائي نفق ورنان موجات صوتية سطحية في الأدبيات الهندسية اللاسلكية السوفيتية بين عامي 1978 و1984. وصف غوريفيتش وزملاؤه مذبذبًا قابلًا للضبط بشكل منفصل ومثبتًا بواسطة رنان موجات صوتية سطحية في عام 1978، [ 19 ] وحلل روديونوف وساندلر استقرار تردد مذبذب بارامتري لرنان موجات صوتية سطحية في عام 1983، [ 20 ] وفي عام 1984، أبلغ كميتا وكوندين ومالتسيف عن مذبذب ثنائي نفق مثبت بواسطة رنان موجات صوتية سطحية يعمل بتردد رنين متوازي يبلغ 78.901  ميجاهرتز، ولم يتجاوز عدم استقرار تردده الجزئي 2 × 10⁻⁴ ضمن نطاق جهد انحياز يتراوح بين 0.226 و0.372  فولت. [ 21 ]

طول العمر

تُعد الثنائيات النفقية عرضة للتلف بسبب ارتفاع درجة الحرارة، وبالتالي يلزم توخي الحذر الشديد عند لحامها.

تُعرف ثنائيات النفق بطول عمرها، حيث لا تزال الأجهزة المصنعة في ستينيات القرن الماضي تعمل بكفاءة. وفي مقال نُشر في مجلة Nature ، ذكر إساكي وزملاؤه أن أجهزة أشباه الموصلات عمومًا تتمتع بثبات عالٍ للغاية، وأشاروا إلى أن عمرها الافتراضي "غير محدود" إذا حُفظت في درجة حرارة الغرفة . وأضافوا أن اختبارًا مصغرًا  لأجهزة عمرها 50 عامًا كشف عن "تأكيد مُرضٍ لطول عمر الثنائي". [ 22 ] وكما لوحظ في بعض عينات ثنائيات إساكي، فإن دبابيس الحديد المطلية بالذهب قد تتآكل وتسبب تماسًا كهربائيًا مع الغلاف. ويمكن عادةً تشخيص هذه المشكلة ومعالجتها باستخدام تقنية بيروكسيد الهيدروجين/الخل البسيطة، وهي التقنية المُستخدمة عادةً لإصلاح لوحات الدوائر المطبوعة للهواتف، ويبقى الثنائي في الداخل يعمل بشكل طبيعي.

المكونات الروسية الفائضة موثوقة أيضًا، ويمكن شراؤها غالبًا ببضعة بنسات، على الرغم من أن سعرها الأصلي يتراوح بين 30 و50 جنيهًا إسترلينيًا. تعتمد الوحدات المباعة عادةً على زرنيخيد الغاليوم (GaAs) ولها نسبة تيار الذروة إلى تيار الجهد ( I pk ⁄/ I v) تبلغ 5:1 عند تيار ذروة يتراوح بين 1 و20 مللي  أمبير ، لذا ينبغي حمايتها من التيار الزائد. [ 23 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 US 3033714 ، صادر بتاريخ 1962-05-08 
  2. ↑ إساكي، ليو (15 يناير 1958). "ظاهرة جديدة في وصلات الجرمانيوم الضيقة من نوع p-n" . مجلة Physical Review . 109 (2): 603-604 . Bibcode : 1958PhRv..109..603E . doi : 10.1103/PhysRev.109.603 .
  3. ↑ إساكي، ريونا (ليو)؛ كوروس، يوريكو؛ سوزوكي، تاكاشي (1957). الانبعاث الميداني الداخلي عند وصلة Ge PN . الاجتماع السنوي للجمعية الفيزيائية اليابانية لعام 1957. doi : 10.11316/jpsgaiyoi.12.5.0_85 . تاريخ الاسترجاع : 7 يوليو 2024 .
  4. ↑ "صمام إيساكي الثنائي، الفصل 9: ترانزستور طراز 2T7، الجزء الأول، تاريخ سوني" . شركة سوني. 1996. تم الاطلاع عليه بتاريخ 4 أبريل 2018 .في أول تقرير علني عن هذا الاكتشاف (عرض تقديمي في الاجتماع السنوي الثاني عشر للجمعية الفيزيائية اليابانية في أكتوبر 1957)، كان تاكاشي سوزوكي، الطالب في جامعة طوكيو للعلوم والمتدرب في شركة طوكيو تسوشين كوجيو تحت إشراف إساكي، أحد المؤلفين المشاركين. وقد لاحظ سوزوكي، برفقة يوريكو كوروسي، المقاومة التفاضلية السالبة لأول مرة أثناء اختبارهما لوصلات PN عالية التشويب.
  5. ↑ "جائزة نوبل في الفيزياء 1973: خطاب حفل توزيع الجوائز" . NobelPrize.org . تم الاطلاع عليه بتاريخ 17-12-2023 .
  6. ↑ برلين، ليزلي (2005). الرجل وراء الشريحة الإلكترونية: روبرت نويس واختراع وادي السيليكون . أكسفورد، المملكة المتحدة: مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 0-19-516343-5.
  7. ↑شكرا جزيلا(باللغة اليابانية). مؤرشف من الأصل في 2 فبراير 2009.
  8. ↑ روستكي، جورج. "ثنائيات النفق: قاتلة الترانزستور" . مجلة إي إي تايمز . مؤرشف من الأصل في 7 يناير 2010. تم الاطلاع عليه في 2 أكتوبر 2009 .
  9. 1 2 فينك، دونالد ج. ، محرر. (1975). دليل مهندسي الإلكترونيات . نيويورك، نيويورك: ماكجرو هيل. ISBN 0-07-020980-4.
  10. ↑ براون، إي آر؛ سودرستروم، جيه آر؛ باركر، سي دي؛ ماهوني، إل جيه؛ مولفار، كيه إم؛ ماكجيل، تي سي (18 مارس 1991). "تذبذبات تصل إلى 712 جيجاهرتز في ثنائيات النفق الرنيني InAs/AlSb" (ملف PDF) . رسائل الفيزياء التطبيقية . 58 (20): 2291. رمز Bibcode : 1991ApPhL..58.2291B . doi : 10.1063/1.104902 . ISSN 0003-6951 . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 23 سبتمبر 2015. تم الاسترجاع في 26 ديسمبر 2012 .  
  11. ↑ كونلي، جون (4 سبتمبر 2013). "التقدم في مجال الإلكترونيات يقترب من عالم يتجاوز السيليكون" . كلية الهندسة بجامعة ولاية أوهايو .
  12. ↑ "صمام ثنائي MIM: منافس آخر على عرش الإلكترونيات" . SciTechStory . ١٩ نوفمبر ٢٠١٠. مؤرشف من الأصل في ٢٤ ديسمبر ٢٠١٦. تم الاطلاع عليه في ٤ يناير ٢٠١٧ .
  13. ↑ موت، آر سي (نوفمبر 1978). " دراسة معامل ضوضاء ثنائي النفق في إنتلسات V بتردد 14 جيجاهرتز". مراجعة كومسات التقنية . 8 : 487-507 . رمز Bibcode : 1978COMTR...8..487M . ISSN 0095-9669 .   
  14. ↑ تيرنر، إل دبليو، محرر. (1976). كتاب مرجعي لمهندس الإلكترونيات ( الطبعة الرابعة). لندن، المملكة المتحدة: نيونس-باتروورث. الصفحات 8-18 . ISBN   0-408-00168-2.
  15. ↑ شركة جنرال إلكتريك (1964). "دوائر ثنائي النفق". دليل الترانزستور ( الطبعة السابعة). ص 353.  
  16. ↑ فان ديغريفت، سي تي (1975). "مذبذب ثنائي نفق لقياسات 0.001 جزء في المليون عند درجات حرارة منخفضة". مراجعة الأدوات العلمية . 46 (5): 599-607 . doi : 10.1063/1.1134272 .
  17. ↑ لويس، إم إف (1974). مذبذب الموجات الصوتية السطحية - تطور طبيعي وفي الوقت المناسب لمذبذب بلورة الكوارتز . الندوة السنوية الثامنة والعشرون حول التحكم في التردد. معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات.
  18. ↑ باركر، تي إي؛ مونتريس، جي كي (1988). "مذبذبات الموجات الصوتية السطحية الدقيقة". معاملات IEEE في الموجات فوق الصوتية، والمواد الكهروإجهادية، والتحكم في التردد . 35 (3): 342-364 . doi : 10.1109/58.20455 .
  19. ↑ غوريفيتش، جي إل؛ كوشورينوف، إي آي؛ باسخين، في إم؛ ساندلر، إم إس (1978). "مذبذب ذو ضبط تردد منفصل ومثبت بواسطة رنان الموجة الصوتية السطحية". هندسة الراديو والفيزياء الإلكترونية . 23 : 2204-2207 . رمز Bibcode : 1978RaEl...23.2204G .
  20. ↑ روديونوف، ل. ف.؛ ساندلر، م. س. (1983). "تحسين استقرار تردد التذبذب في مولد بارامتري باستخدام رنان موجة صوتية سطحية". رسائل الفيزياء التقنية السوفيتية . 9 : 336-337 . Bibcode : 1983TePhL...9..336R .
  21. ↑ كميتا، أ.م.؛ كوندين، أ.ب.؛ مالتسيف، أ.أ. (1984). "مذبذب ثنائي نفق مع رنان موجات صوتية سطحية". هندسة الراديو والفيزياء الإلكترونية . 29 : 603-604 . رمز Bibcode : 1984RaEl...29..603K .
  22. ↑ إساكي، ليو؛ أراكاوا، ياسوهيكو؛ كيتامورا، ماساتوشي (2010). "لا يزال ثنائي إساكي نجمًا في عالم الراديو، بعد نصف قرن" . مجلة نيتشر . 464 (7285): 31. Bibcode : 2010Natur.464Q..31E . doi : 10.1038/464031b . PMID 20203587 . 
  23. ↑ "صمامات النفق الروسية" . w140.com . TekWiki . تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 نوفمبر 2023 .