Tunneldiode

Ende der 1950er-Jahre war die Tunneldiode eine Sensation: Sie schaltete schneller als jeder Transistor ihrer Zeit, verstärkte Mikrowellen und arbeitete mit Bruchteilen eines Volts. Leo Esaki entdeckte den Effekt 1957 bei der Firma, die später Sony hieß, und erhielt dafür 1973 den Physik-Nobelpreis. Heute findest du Tunneldioden kaum noch in neuen Schaltungen – schnelle Transistoren haben ihren Platz eingenommen. Trotzdem lohnt der Blick: An keinem anderen Bauteil lässt sich so anschaulich zeigen, was ein negativer Widerstand ist und wie Quantenphysik zu einer messbaren Kennlinie wird.

Aufbau und Funktionsweise

Die Tunneldiode ist eine Diode mit einem einzigen pn-Übergang, nur sind beide Seiten extrem stark dotiert – rund tausendmal stärker als bei einer gewöhnlichen Diode. Mehr zur Rolle der Fremdatome steht unter Dotierung. Die Folge: Die Raumladungszone ist nur etwa 10 Nanometer dünn. Durch eine so dünne Barriere können Elektronen hindurchtunneln, ohne sie überwinden zu müssen – ein Effekt, den die klassische Physik nicht erklärt (siehe Quantenphysik).

Ob Elektronen tunneln, hängt davon ab, ob auf der anderen Seite der Barriere freie Plätze mit gleicher Energie warten. Genau das verändert die angelegte Spannung:

1. Kleine Durchlassspannung: Besetzte Zustände im n-Gebiet liegen freien Zuständen im p-Gebiet gegenüber. Viele Elektronen tunneln, der Strom steigt schnell an.
2. Etwas mehr Spannung: Die Energieniveaus verschieben sich gegeneinander, immer weniger besetzte Zustände finden ein freies Gegenüber. Obwohl die Spannung steigt, sinkt der Strom.
3. Noch mehr Spannung: Der Tunnelstrom ist fast versiegt, nun setzt der gewöhnliche Diodenstrom ein, und die Kennlinie steigt wieder wie bei jeder Diode.

In Sperrrichtung tunneln die Elektronen ebenfalls ungehindert: Die Tunneldiode sperrt praktisch nicht, schon bei wenigen Zehntel Volt fließt ein großer Rückwärtsstrom.

Schaltzeichen

Das Symbol ist das der Diode, nur trägt der Kathodenstrich an beiden Enden einen kurzen Haken, der zum Dreieck hin zeigt. Nach Pro Electron haben Tunneldioden ein E an zweiter Stelle (siehe Kennzeichnung von Dioden); amerikanische Typen tragen wie andere Dioden die Vorsilbe 1N.

Kennlinie und Kennwerte

Die Kennlinie in Durchlassrichtung hat die Form eines N. Zwei Punkte beschreiben sie: der Höcker mit Höckerspannung U_P und Höckerstrom I_P (P für englisch peak) und das Tal mit U_V und I_V (V für valley). Zwischen beiden liegt der Bereich mit negativem differentiellem Widerstand.

Die Werte sind typische Größenordnungen; sie hängen stark vom Hersteller ab. Der Höckerstrom wird über die Chipfläche festgelegt. Die klassische Germanium-Reihe 1N3712 bis 1N3721 reichte von etwa 1 mA bis 22 mA. Je größer das Verhältnis I_P / I_V, desto ausgeprägter ist der negative Bereich und desto leichter schwingt eine Schaltung.

Den negativen Widerstand kannst du aus den beiden Punkten abschätzen:

Bauformen

Tunneldioden kamen in winzigen Metall- oder Keramikgehäusen, oft als „Pillen“ mit zwei flachen Anschlüssen, damit die Zuleitungsinduktivität klein bleibt. Für Mikrowellen gab es Gehäuse zum Einschrauben in Hohlleiter. Neue Tunneldioden stellen nur noch wenige Spezialhersteller her; im Handel findest du vor allem Restbestände, etwa russische Galliumarsenid-Typen. Germaniumtypen sind empfindlich gegen Hitze beim Löten.

Anwendungen

Oszillator. Ein Schwingkreis verliert in jeder Schwingung Energie in seinen Verlustwiderständen und klingt ab. Ein negativer Widerstand parallel dazu gleicht diese Verluste aus: Er liefert bei steigender Spannung weniger Strom, also gibt er Energie an den Kreis ab. Die Tunneldiode wird dazu über einen niederohmigen Spannungsteiler genau in die Mitte ihres fallenden Abschnitts gelegt, und der Kreis schwingt an.

Den Spannungsteiler legst du dafür so aus, dass er sehr niederohmig ist: Sein Innenwiderstand muss kleiner sein als |r_n|. Sonst springt der Arbeitspunkt, statt im fallenden Abschnitt zu bleiben, auf einen der beiden ansteigenden Äste. Die Grundlagen zum Teiler stehen unter Spannungsteiler.

Schneller Schalter und Impulsgenerator. Mit einem hochohmigen Arbeitswiderstand hat die Schaltung zwei stabile Zustände, links und rechts vom fallenden Abschnitt. Ein kurzer Impuls lässt sie in Pikosekunden umspringen. Darauf beruhten schnelle Triggerschaltungen in Oszilloskopen und Zähler der 1960er-Jahre sowie Pulsgeneratoren mit extrem steilen Flanken, wie sie für Messungen an Leitungen gebraucht werden.

Mikrowellenverstärker. Rauscharme Verstärker in Satellitenempfängern nutzten Tunneldioden bis in den Bereich über 10 GHz.

Verwandte Bauteile. Die Rückwärtsdiode (Backward-Diode) ist eine Tunneldiode mit kaum ausgeprägtem Höcker. Sie leitet in Sperrrichtung schon bei 0 V gut, in Durchlassrichtung erst ab einigen Zehntel Volt – ideal als Detektor für sehr kleine Hochfrequenzsignale. Die Resonanztunneldiode aus Schichten verschiedener Halbleiter erreicht in der Forschung Schwingfrequenzen im Terahertzbereich.

Grenzen und Praxistipps

• Kleine Leistung: Der nutzbare Spannungshub beträgt nur einige Zehntel Volt, die Ausgangsleistung bleibt im Milliwatt-Bereich.
• Zwei Anschlüsse: Eingang und Ausgang liegen am selben Bauteil. Ein Verstärker braucht deshalb Zirkulatoren oder Brückenschaltungen, um beide zu trennen.
• Empfindlich gegen Überlast: Schon wenige zehn Milliampere über dem Höckerstrom können den Übergang zerstören. Ein Multimeter im Diodentest ist bei kleinen Typen bereits riskant.
• Parasitäre Schwingungen: Jede Leitung hat Induktivität. Lange Anschlüsse bilden mit der Diodenkapazität Schwingkreise, die auf ungewollten Frequenzen anschwingen.

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