Diodo Tunel

DIODO TÚNEL

1.- Año de Descubrimiento.

Fue Descubierto en 1957 por Leo Esaki que nació en Osaka Japón. Termino su carrera de Físico en 1946 y su doctorado en 1959 por la universidad de Tokio. Su descubrimiento del efecto túnel lo realizo en 1957 mientras trabajaba en Sony Corporation. Tres años más tarde se traslado a Estados Unidos para incorporarse al centro de investigación Thomson J. Watson de la compañía IBM en Nueva York. Sus investigaciones se centraron en la física de los semiconductores. En 1965 fue elegido para uno de los mejores cargos de IBM. Comenzó a trabajar con las superredes como parte de un experimento para demostrar otras teorías de la mecánica quántica postuladas pero no demostradas. Las superredes son cristales sintéticos compuestos por capas extremadamente finas de diferentes semiconductores. Este material se puede emplear en los ordenadores a altas velocidades. Leo Esaki permaneció 33 años en IBM y finalmente fue nombrado director de la compañía. Durante este periodo también impartió clases en las universidades de Pensilvana y Tokio. Cuando dejo IBM en 1993 regreso a Japón y desde entonces ha sido rector de la Universidad de Tsukuba.

2.- Colaboradores.

Leo Esaki, físico Japonés cuyos trabajos sobre los semiconductores le valieron el premio Nóbel de Física en 1973, galardón que compartió con el físico estadounidense de origen Noruego Iván Giaver y con el físico Británico Brian D. Josephson. Demostró el efecto túnel en los semiconductores y desarrollo el diodo túnel, también conocido como diodo de Esaki.

En física clásica, una corriente eléctrica no puede fluir en un circuito interrumpido por una barreara aislante, es decir, cuando los electrones chocan con el material aislante, no pueden atravesarlo.

Desde la década de 1930, la mecánica quántica, la rama de la física que estudia los fenómenos relacionados con el movimiento de las partículas subatómicas, había postulado que los electrones podían atravesar una barrera aislante si esta era lo suficientemente fina. Esaki desarrollo un diodo con uniones eléctricas de un espesor de diez milésimas de micra a través del cual los electrones podían pasar.

Leo Esaki Iván Giaever Brian D. Josephson

3.- Significado del nombre

Se conocen como diodo Esaki, en honor del hombre que descubrió que una fuerte contaminación con impurezas podía causar un efecto de tunelización de los portadores de carga a lo largo de la zona de agotamiento en la unión.

Una característica importante del diodo túnel es su resistencia negativa en un determinado intervalo de voltajes de polarización directa. Cuando la resistencia es negativa, la corriente disminuye al aumentar el voltaje.

La anchura de la barrera de unión varia inversamente con la raíz cuadrada de la concentración de impurezas y en nuestro caso se reduce a menos de 100 A (10-6 cm.).

Esta anchura es de solo un cincuentavo de la longitud de onda visible. No obstante para barreras cuya anchura se estima en el diodo Esaki, la ecuación de Schondringer indica que hay una gran posibilidad de que un electrón penetre a través de la barrera de potencial. Este comportamiento de mecánica quántica se conoce con el nombre de efecto túnel, y los sistemas cuya unión p-n tengan alta cantidad de impurezas se denominan diodos túnel.

También es un efecto quántico descrito en 1928 por George Gamoun para explicar la desintegración radiactiva en la que se producía la emisión de partículas alfa Gamow descubrió que según el principio de incertidumbre de Heinsenberg una pequeña parte de un núcleo atómico, la parte que mas tarde constituye la partícula alfa no exactamente en el núcleo sino ligeramente separada de el, lo bastante separada como para quien predomine los efectos de la fuerza de repulsión electrostática y no la interacción nuclear fuerte.

Gamow descubrió la situación utilizando la analogía de un valle. La partícula alfa se hallaba en un valle con el resto del núcleo atómico, un valle donde predominaban las fuerzas nucleares y que estaba rodeado por altas montañas difíciles se subir, ya que ello requiere mucha energía.

Las partículas alfa detectadas no poseían la energía necesaria de aquel valle, sin embargo gracias a la incertidumbre quántica la partícula alfa podía salir del valle como si cavase un túnel a través de las montañas. Una ves fuera del valle de la fuerza nuclear, la repulsión electrostática se hacia cargo de la situación.

El efecto túnel fue descrito por Gamow no solo explica el proceso que permite la emisión de una partícula alfa, sino que también la explicación de la fusión nuclear que tiene lugar en las estrellas. El efecto túnel permite que los protones caben un túnel a través de esa repulsión y se aproximen lo bastante como para que la interacción nuclear fuerte los mantenga unidos.

El efecto túnel se manifiesta también en procesos tan cotidianos como los que tienen lugar en una pila electrónica o un circuito electrónico. El efecto túnel puede ser explicado a partir del concepto de onda de probabilidad. Consideremos el balanceo de una bola en una colina con subidas y bajadas sin fricción, según lo mostrado en la figura, supongamos que la bola esta sosteniendo momentáneamente y se suelta de la posición A, esta rodar cuesta abajo y subirá la colina hacia la posición C, nunca podrá a llegar a una altura mas alta que el nivel del punto A, podrá llegar a la posición B, que esta en la misma altura de A, la bola ira hacia arriba y hacia abajo, oscilando entre los puntos A y B para siempre. No hay forma por la cual la bola pueda pasar a la posición D, dentro del dominio de la mecánica Newtoniana, pero esto es exactamente lo que ocurre en el dominio de la mecánica quántica. La bola puede rodar cuesta abajo en la otra cara de la colina, después de subir hasta la posición B, esta se materializa en la otra cara, esto se denomina efecto túnel en la mecánica quántica.

Si un hombre tira una pelota contra la pared, la bola rebota de vuelta, de acuerdo a las leyes de física quántica, la bola puede penetrar a través de un túnel por la pared, pero debido a que la bola es un objeto microscópico, las posibilidades de que esto ocurra, es infinitamente pequeña. Dos metales separados por un vació se aproxima a esta situación, los electrones en el metal son bolas y el vació representa la pared.

Los electrones no tienen suficiente energía para escapar a través del vació, pero los dos metales pueden intercambiar electrones por efecto túnel, si estos están suficientemente próximos, la posibilidad de que esto suceda es grande por que los electrones son partículas microscópicas.

En consecuencia debido al efecto mecánico-quántico explicado anteriormente es por eso que este diodo recibe el nombre del diodo túnel pues realiza este efecto en su funcionamiento.

4.- Símbolo del Diodo Túnel.

El símbolo del diodo túnel se presenta a continuación:

*Diodo Túnel (símbolo recomendado) * Diodo Túnel

5.- Funcionamiento del Diodo Túnel.

Para comprender mejor el funcionamiento del diodo túnel antes debemos ver un concepto muy importante el cual es llamado Efecto Túnel.

Variaciones del nivel de energía que puede tener un electrón

Algunos electrones pueden adquirir suficiente energía para pasar del nivel de energía de valencia al nivel de conducción y al hacerlo pueden desplazarse de la región p a la región n. A este proceso se le llama efecto túnel.

6.- Modelo Grafico.

El funcionamiento del diodo túnel se explica conjuntamente con su modelo grafico.

Si se aplica un voltaje de polarización inversa, como en la figura b de abajo, las distribuciones electrónicas a ambos lados están desplazadas verticalmente la una con respecto con la otra, en cantidad igual al voltaje de polarización. En esta condición, los estados vacíos del lado n están frente a los estados llenos del estado p y los electrones de estos estados forman un túnel a través de la barrera potencial para proporcionar grandes corrientes netas. El dispositivo no soporta ningún voltaje en absoluto en la dirección inversa, pero puede considerarse que sufre una ruptura mediante el mecanismo de Sezner a valores infinitesimalmente pequeños de voltaje aplicado.

En sentido directo, la corriente de túnel comienza a fluir al principio por este mismo mecanismo, como se indica en la figura c); pero después del voltaje de polarización directa aumenta mas allá de cierto punto, las bandas”se cruzan” como se muestra en la figura d) y, entonces, ya no hay mas estados finales para la formación de túneles, de manera que la corriente de túnel desciende bruscamente.

Al aplicar voltajes de polarización directa todavía mayores, la corriente normal de difusión directa o inyección asociada en cualquier rectificador P-N comienza a fluir sobre la barrera de potencial en una cantidad importante y la corriente vuelve a aumentar.

El

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