EL EFECTO TÚNEL

En nuestra vida cotidiana nos enfrentamos ante situaciones en las que nos enfrentamos a la cruda realidad de que hay barreras energéticas que no podemos superar. Si yo intento pasar de un lado a otro de un edificio saltándolo muy posiblemente no lo consiga.

En física representamos a los sistemas y sus estados energéticos con gráficas de energía potencial. En dichas gráficas representamos el sistema y su energía, y la energía que necesita para realizar algún fenómeno. Veamos la siguiente figura:

En esta gráfica tenemos:

1.- Las partículas se mueven en el eje X. Una partícula se podría mover hacia la derecha o hacia la izquierda.

2.- En el eje vertical representamos la energía a la que esta partícula está sometida en su movimiento que tiene la forma de una energía potencial V(x).

3.- Vemos como en la mayor parte del eje X la energía potencial es 0, pero hay un determinado intervalo en el que toma un valor Vo. Eso es una barrera de potencial.Si tenemos una partícula cuya energía (cinética) es mayor que el Vo entonces se podrá mover sin problema en todo el eje X.

Si por el contrario, la partícula tiene una energía menor que V0 pues estará condenada a rebotar contra la barrera de potencial cuando se encuentre con ella. Si nuestra partícula tiene una energía Eo menor que V0 y está en la parte izquierda de la barrera, tendríamos esta situación:

La cuántica al rescate

La cuántica nos dice un par de cosas interesantes para este tema:

1. Las partículas cuánticas están descritas por una función de onda .

2. A un nivel pedestre podemos considerar que la partícula se describe como una onda durante su evolución.

3. La función de onda contiene la información acerca de la probabilidad que tiene la partícula de ser encontrada en una posición determinada. Eso está contenido en el cuadrado de la función de donda, = Probabilidad de encontrar a la partícula en una posición x.

Cuando describimos en una partícula cuántica que se encuentra con una barrera de potencial y resolvemos el problema encontramos que aunque dicha partícula no tenga la energía suficiente como para “saltar” la barrera hay una pequeña probabilidad de que pase al otro lado.

El secreto está en que cuando la partícula descrita por la función de onda se encuentra con la barrera de potencial, la función de onda inicial se parte en dos contribuciones: Parte reflejada + Parte transmitida.

Y si hacemos un estudio de la solución a este problema encontramos que la transmisión tiene este perfil:

Aquí es importante notar lo siguiente:

1. La partícula descrita por la función de onda tiene una energía menor que la barrera de potencial. Pero es capaz de transmitirse por la barrera.2. En la transmisión vemos como la amplitud de la onda disminuye y que la parte transmitida tiene una amplitud menor. La amplitud está relacionada con el cuadrado de la función de onda. Y eso es la probabilidad de encontrar la partícula en una determinada posición. Por lo tanto, como se ve en la figura, la probabilidad de encontrar a la partícula que ha superado la barrera es muy pequeña.¿De qué factores dependerá que el efecto túnel sea más o menos eficiente?

Parece evidente que la anchura de la barrera es muy importante, a mayor anchura más tiempo para decrecer en amplitud la onda transmitida y menor probabilidad de estar al otro lado.

Otra característica menos evidente pero igual de fundamental es la masa de la partícula que estemos describiendo. A mayor masa menor probabilidad de traspasar la barrera.

Esas son dos magnífica razones para que podamos decir que nunca viviremos una experiencia de efecto túnel. Primero porque somos grandes y con mucha masa y segundo porque las barreras de potencial a las que nos enfrentamos suelen ser grandes y anchas. Vamos que es mejor dar la vuelta, que esperar atravesar una pared.

Los usos

Pues por efecto túnel me salen muchas cosas, es un importante ingrediente en los mecanismo de reacción químicos (algunos de ellos). También hacemos microscópios, y es muy relevante en muchos procesos industriales y tecnológicos. Todo esto se puede encontrar por google.

A mí, el efecto mas impresionante que se le puede asignar al efecto túnel y que ha cambiado el estilo de vida de nuestras familias. Estoy convencido de que todos lo hemos vivido. A todos se nos ha roto un cable, lo hemos pelado y lo hemos empalmado con otro cable nuevo.

Al ejecutar tal procedimiento hemos de pensar que el cobre se oxida muy fácilmente y que el oxido de cobre es un aislante eléctrico de primera categoría. Así que cuando enrollamos hilos de cobre de los cables entre si estamos poniendo en contacto dos superficies aislantes. Los electrones lo tienen chungo para saltar de un cable a otro en el empalme. Y sin embargo, conduce. Los electrones saltan la barrera de oxido (que es una barrera de pontencial para ellos) por efecto túnel. Sí, ese es mi efecto favorito en relación con el efecto túnel. Siempre he sido de gustos simples.

Diodo túnel

El Diodo túnel es un diodo semiconductor que tiene una unión pn, en la cual se produce el efecto túnel que da origen a una conductancia diferencial negativa en un cierto intervalo de la característica corriente-tensión.1

La presencia del tramo de resistencia negativa permite su utilización como componente activo (amplificador/oscilador).

También se conocen como diodos 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. En consecuencia, el diodo túnel puede funcionar como amplificador, como oscilador o como biestable. Esencialmente, este diodo es un dispositivo de baja potencia para aplicaciones que involucran microondas y que están relativamente libres de los efectos de la radiación.

El diodo túnel es una forma de diodo semiconductor muy rápido que puede funcionar bien en la región de frecuencia de radio de microondas.

Se diferencia de otras formas de diodo semiconductor que utiliza un efecto mecánico cuántico llamado efecto túnel. Esto proporciona el diodo túnel con una región de resistencia negativa en su curva característica IV que permite que sea utilizado como un oscilador y como un amplificador.

A pesar de que no se utilizan tan ampliamente como algunos dispositivos hoy en día, estos dispositivos tienen su lugar dentro de la tecnología de RF. Fueron utilizados en el receptor de televisión osciladores frontales y circuitos de disparo del osciloscopio, etc Ellos han demostrado que tienen una vida muy larga y puede ofrecer un alto nivel de rendimiento cuando se utiliza como un pre-amplificador de RF. Sin embargo hoy en día, sus aplicaciones son a menudo limitadas por tres terminales más tradicionales pueden ofrecer un mejor nivel de rendimiento en muchas áreas.

Desarrollo diodo túnel

El diodo túnel fue descubierto por un Ph.D. estudiante de investigación llamado Esaki en 1958 mientras él estaba investigando las propiedades de germanio dopado fuertemente uniones para su uso en transistores bipolares de alta velocidad.

En el curso de su investigación Esaki producido algunas uniones fuertemente dopados para transistores bipolares de alta velocidad y, como resultado se encontró que producían una oscilación a frecuencias de microondas como resultado del efecto túnel.

Luego, en 1973, Esaki recibió el premio Nobel de Física por su trabajo en el diodo túnel.

Después de que el trabajo por Esaki, otros investigadores demostraron que otros materiales también mostraron el efecto túnel. Holonyak y Lesk demostraron un dispositivo de arseniuro de galio en 1960, y otros demostraron indio y estaño, y luego en 1962 el efecto fue demostrado en materiales como arseniuro de indio, fosfuro de indio y silicio.

Túnel símbolo circuito de diodo

A pesar de la operación del diodo túnel. su símbolo de circuito se basa en que para el diodo normal, pero ha 'colas' añadido al elemento de la barra del símbolo para diferenciarlo de otras formas de unión PN diodo.

Túnel símbolo circuito de diodo

Ventajas y desventajas

El diodo de túnel no se utiliza tan ampliamente estos días, ya que era de avena una vez. Con la mejora en el rendimiento de las otras formas de la tecnología de semiconductores, que a menudo se han convertido en la opción preferida. No obstante, todavía vale la pena mirar un diodo túnel, teniendo en cuenta sus ventajas y desventajas para descubrir si se trata de unaopción viable.

Ventajas

Muy alta velocidad: La alta velocidad de operación significa que el diodo túnel se puede utilizar para aplicaciones de RF de microondas. Longevidad: Se han realizado estudios del diodo túnel y su rendimiento se ha demostrado que permanecer estable durante largos períodos de tiempo, donde otros dispositivos semiconductores pueden tener degradados.

Desventajas

Reproducibilidad: No ha sido posible hacer que el diodo de efecto túnel como con el rendimiento reproducible de los niveles a menudo necesarios. Baja de pico a valle coeficiente de liquidez: La región de resistencia negativa y el pico de corriente de valle no es tan alto como a menudo se requiere para producir los niveles de rendimiento que se pueden lograr con otros dispositivos.

Una de las principales razones para el éxito inicial del diodo túnel fue su alta velocidad de operación y las altas frecuencias que podía manejar. Esto dio como resultado del hecho de que mientras que muchos otros dispositivos son ralentizados por la presencia de los portadores minoritarios, el diodo túnel sólo utiliza portadores mayoritarios, es decir, agujeros en un material de tipo n y electrones en un material de tipo p. Los portadores minoritarios ralentizan el funcionamiento de un dispositivo y como resultado, su velocidad es más lenta.Asimismo, el efecto túnel es intrínsecamente muy rápido.

El diodo túnel se utiliza muy poco en estos días y esto se debe a sus desventajas. En primer lugar sólo tienen una corriente túnel bajo y esto significa que son dispositivos de baja potencia. Mientras que esto puede ser aceptable para los amplificadores de bajo ruido, que es una desventaja significativa cuando son demandados en los osciladores como se necesita una amplificación adicional y esto sólo pueden ser realizadas por los dispositivos que tienen una capacidad de potencia más alto, es decir, no diodos túnel. La tercera desventaja es que son problemas con la reproducibilidad de los dispositivos que resultan en bajos rendimientos y por lo tanto, mayores costos de producción.

Aplicaciones

Aunque el diodo túnel apareció prometiendo hace algunos años, pronto fue sustituido por otros dispositivos semiconductores como diodos IMPATT para aplicaciones de oscilador y FET es cuando se utiliza como un amplificador. Sin embargo, el diodo de efecto túnel es un dispositivo útil para ciertas aplicaciones.

Las solicitudes para el diodo túnel incluye utiliza como un oscilador, a pesar de que también se utiliza como un amplificador y un mezclador.

Una de las principales ventajas del diodo túnel que actualmente está empezando a tener experiencia es su longevidad. Una vez fabricado su rendimiento permanece estable durante largos períodos de tiempo a pesar de su uso. Otros dispositivos pueden degradarse ligeramente con el tiempo.