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Das Tunneldiode oder Esaki-Diode ist ein Diode mit einer besonderen Eigenschaft bekannt als negativer Widerstand. Die Diode hat ihren Namen von Leo Esaki, und wird verwendet in Oszillatoren, LC-Schaltungen und Hochfrequenzanwendungen mit Mikrowellen.
Struktur
Tunneldioden sind Halbleiter aus denen Galliumarsenid (gehenAsche). Mit Tunneldioden ist die p- und n-Bereich gesättigter als bei klassisch Gleichrichter. Dies führt zu einem sehr kleinen Verarmungsgebiet. Dadurch tritt kein Durchbruchseffekt (Durchschlag) auf, wie es bei klassischen Gleichrichtern der Fall ist.
Negativer Widerstand
Da der Verarmungsbereich so klein ist, können die Elektronen Ruhestrom in Vorwärtsrichtung durch die pn-Übergang zu rutschen. Es gibt also ein Tunneleffekt. Die Diode verhält sich dann wie ein Leiter. Dies ist in der Abbildung zwischen den Punkten A und B dargestellt. Am Punkt B beginnt die Durchlassspannung eine Barriere zu bilden. Bei einer Erhöhung der Durchlassspannung führt dies zu einer Stromabnahme. Im Bereich zwischen B und C gilt folgender Zusammenhang:
Diese Beziehung ist das Gegenteil von Ohm'sches Gesetzwo eine Spannungserhöhung eine Stromerhöhung bewirkt. Deshalb sprechen wir von negativer Widerstand. Ab Punkt C in der Figur verhält sich die Diode wie eine normale in Durchlassrichtung vorgespannte Diode.
Anwendungen
Tunneldioden eignen sich für sehr schnelles Arbeiten. Daher können sie unter anderem in Mikrowellenanwendungen eingesetzt werden. Eine weitere Anwendung finden wir in Oszillatoren und Schwingkreisen. Nehmen wir zum Beispiel einen Parallelschwingkreis bestehend aus Kondensator, Spule und Widerstand parallel.
Wenn eine plötzliche Spannung angelegt wird (zum Beispiel durch Schließen eines Schalters), erhalten wir ein sinusförmiges Ausgangssignal, das langsam abklingt. Dies ist auf den Widerstand zurückzuführen, der im LC-Kreis (Tank) entsteht. Wenn Strom durch den LC-Kreis fließt, sorgt dieser Widerstand schließlich dafür, dass Energie abgebaut wird, wodurch die Sinuswelle abklingt. Wenn wir jedoch eine Tunneldiode in Reihe mit der LC-Schaltung schalten und sie so vorspannen, dass die Tunneldiode in oder um die Mitte des negativen Widerstandsbereichs herum arbeitet, erscheint am Ausgang eine konstante Sinuswelle, die nicht abklingt. Die Erklärung liegt darin, dass der Widerstand des LC-Kreises durch den negativen Widerstand der Tunneldiode aufgehoben wird.
Siehe auch
Quellen, Anmerkungen und/oder Verweise
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