Co trzeba wiedzieć o… diodach tunelowych

Diody tunelowe to wielce tajemnicze podzespoły, dawniej wykorzystywane do celów wojskowych, do których hobbysta nie miał dostępu. Dziś łatwo można wejść w ich posiadanie, przeprowadzać interesujące eksperymenty, ale do tego potrzebne są przynajmniej podstawowe informacje o tych elementach.

Diody tunelowe budzą ciekawość, ale panuje przekonanie, że to są elementy po pierwsze niedostępne dla zwykłego śmiertelnika, po drugie, że skrajnie trudno je wykorzystać, między innymi dlatego, że pracują przy częstotliwościach rzędu gigaherców oraz że są wyjątkowo delikatne i łatwo ulegają zniszczeniu. Poniższy artykuł jest uzupełnieniem artykułu o numerze Y078 oraz filmu YT Y078, w którym udowadniam, że tak nie jest – każdy hobbysta może praktycznie poznać ich właściwości i je wykorzystać.

Kiedyś dawno elementy te były absolutnie niedostępne dla hobbystów. Po pierwsze były bardzo drogie, po drugie w czasach słusznie minionych nie były dostępne w handlu, bo przeznaczone były głównie do sprzętu wojskowego, a samo posiadanie takich elementów mogło narazić na oskarżenie o działanie na szkodę systemu. Dziś sytuacja jest inna. Od upadku Związku Radzieckiego do dziś dostępne są stare zapasy radzieckich diod tunelowych: germanowych (Ge) i z arsenku galu (GaAs).

To prawda, że diody tunelowe są bardzo delikatne, ale przy zachowaniu rozsądnych zasad ostrożności każdy może je wykorzystać, a przynajmniej „pobawić się” nimi, ku swojej wielkiej satysfakcji.

Faktem jest też, że diody tunelowe to elementy wyjątkowo szybkie i były wykorzystywane głównie w technice mikrofalowej. Ale co dla nas ważne, mogą też pracować przy dowolnie małych częstotliwościach.

Mogą pracować zarówno w roli przedziwnych, śmiesznie prostych generatorów i wzmacniaczy, jak też służyć do uzyskiwania bardzo stromych impulsów o czasie narastania rzędu pikosekund. Opisuję to nieco dokładniej właśnie w artykule Y078, a tutaj przedstawię garść najważniejszych informacji o tych diodach.

Co to jest dioda tunelowa?

Dla najmniej zorientowanych: dioda tunelowa to dwukońcówkowy element – fotografia 1 – o bardzo dziwnych właściwościach.

W zasadzie jest to najprawdziwsza dioda półprzewodnikowa, ale ma pewne właściwości, różniące ją od powszechnie znanych diod prostowniczych. Nie służy do prostowania prądu (choć są też „prostownicze” odmiany diod tunelowych, znane jako tzw. diody wsteczne – backward diodes – przykład na fotografii 2).

Dioda tunelowa, pomimo że ma tylko dwie końcówki, może być wykorzystana do pracy w roli elementu aktywnego, na przykład we wzmacniaczach (tak!), w generatorach, w obwodach pamiętających (jako komórka pamięci), w układach logicznych, między innymi w przerzutnikach, oraz obwodach kształtowania impulsów. Większość diod tunelowych to bardzo delikatne elementy o bardzo małej mocy. Ale produkowano też wersje o dużym prądzie, rzędu amperów.

Diody tunelowe są bardzo szybkie i generalnie pracują w urządzeniach mikrofalowych, gdzie częstotliwości są rzędu gigaherców. Tak, ale mogą też pracować przy dowolnie małych częstotliwościach, tylko wtedy można to zrobić prościej i lepiej za pomocą tranzystorów.

Japoński naukowiec, Reona (Leo) Esaki (fotografia 3) wynalazł je i opisał ich niezwykłe właściwości w roku 1957.

Dlatego diody tunelowe nazywane są też diodami Esakiego. Było o nich bardzo głośno w latach 60. i z tych lat pochodzą profesjonalne artykuły i książki na ich temat. Potem zainteresowanie przeniosło się na inne pokrewne elementy (m.in. na „silniejsze” diody Gunna). Obecnie diody tunelowe praktycznie nie są już wykorzystywane w nowych konstrukcjach, bo dziś dostępne są bardzo szybkie tranzystory, które mogą pracować przy częstotliwościach rzędu gigaherców. Dziś diody tunelowe są przede wszystkim dużą atrakcją dla hobbystów i bodaj najprostszą możliwością „dotknięcia” tajemniczych zjawisk kwantowych.

A teraz parę słów dla bardziej zaawansowanych (nie przejmuj się, jeśli „ani w ząb” nie zrozumiesz tych szczegółów). Otóż w zasadzie dioda tunelowa to kanoniczne złącze p–n, jakie znajdziemy też w popularnych diodach prostowniczych. Dioda tunelowa także jest połączeniem dwóch obszarów półprzewodnika: obszaru typu p, gdzie nośnikami większościowymi są dziury, oraz typu n, gdzie nośnikami większościowymi są elektrony – rysunek 4.

Zasada budowy jest identyczna jak zwykłej diody, a kluczową różnicą względem typowych diod prostowniczych jest o wiele silniejsze domieszkowanie półprzewodników. Koncentracja domieszek jest mniej więcej 1000 razy większa niż w zwykłych diodach.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w sierpniowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 8/2026). Czasopismo aktualnie nie ma wersji drukowanej na papierze. Wydawane jest w postaci elektronicznej (plików PDF). Pełną wersję czasopisma znajdziesz na moim profilu Patronite, gdzie dostępna jest dla Patronów, którzy wspierają mnie kwotą co najmniej 15 zł miesięcznie. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 8/2026 znajduje się tutaj.

Piotr Górecki

Uwaga! Wskazówki, jak nabyć pełne wersje dowolnych numerów ZE znajdują się na stronie:
https://piotr-gorecki.pl/n11.