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為何隧道二極體在微波技術中扮演關鍵角色？
隧道二極體，也稱為Esaki二極體，是一種特殊的半導體元件，依賴於量子機械的隧道效應來實現「負阻抗」的特性。這項技術由小笠原大雄與黑瀨由紀子於1957年共同發明。隧道二極體的設計使其在微波技術和高頻應用上具有獨特的優勢，讓這一技術的發展成為電子元件領域的重要里程碑。
隧道二極體因其負微分電阻的特性，使其能夠作為振盪器和放大器，帶來意想不到的應用。
隧道二極體的關鍵在於其高度摻雜的P-N結構，這使得整個結構的寬度僅為約10奈米。這種結構造成了導帶中的電子狀態和價帶中的孔狀態的破裂帶隙，進而實現了量子隧道效應。這使得隧道二極體在微波頻率範圍內，遠超過常規二極體和晶體管的能力，能夠用於多種高頻應用。
應用範疇與其特點
隧道二極體的「負微分電阻」特性使其在某些操作範圍內能夠擔任振盪器和放大器的角色。具體而言，這些元件具有很低的電容，這意味著它們可在微波頻率下工作，並提供高度的效率。儘管隧道二極體輸出功率有限，具有數百毫瓦的頻率，不過能在新設計的元件中實現低延遲與高速度。
即便在許多應用中，隧道二極體的性能已被更傳統的半導體元件所超越，但是其在微波技術中的潛力無法忽視。
在微波技術方面，隧道二極體已被用於多種領域，包括UHF電視調諧器中的本振、示波器中的觸發電路、高速計數器電路等。這些應用展示了它在高速與低噪聲放大方面的卓越表現。1977年，Intelsat V衛星接收器中就採用了微帶隧道二極體放大器，其工作範圍高達14至15.5 GHz，性能超越任何基於晶體管的前端設計。
技術比較與優勢
對於傳統的半導體二極體而言，當P-N結被正向偏壓時，會正常導通，而當逆向偏壓時則會阻止電流流動。這一過程也伴隨著可能的反向擊穿電壓的存在。然而，隧道二極體的設計大幅度提高了掺雜劑的濃度，使其具備在逆向偏壓下也能導電的特性，並且在正向偏壓的情況下，會出現一個電壓與電流行為相反的現象，這就是「負阻抗」的概念。這一現象可以在固態的Dynatron振盪器中被有效應用。
隧道二極體除了在微波頻率下作為放大器外，還具備了優越的抗輻射能力，使其尤其適合運用於高輻射環境，例如太空中。
耐久性與未來前景
隧道二極體的耐用性是其另一個突出的特點。歷經數十年，早期在1960年代製造的元件如今仍然可正常運作。根據Esaki和其合作者的報導，半導體元件的穩定性極高，只要保持在室溫下，壽命可望實現「無限」。然而，過熱是其最大的敵人，因此在焊接時需要特別小心。
雖然目前更現代的半導體器件已經在許多應用條件下超越了隧道二極體的性能，但隧道二極體在微波技術方面的潛力仍保持著值得探索的空間。隨著對新型隧道效應機構的開發，如共振隧道二極體和MIIM二極體，未來在高頻領域的應用甚至可能開創新的技術局面。
我們是否能夠見証隧道二極體在微波技術中迎來新的突破與應用呢？
