Co to jest opór ujemny i co powoduje jego występowanie?
Ujemna rezystancja to zjawisko, w którym wzrost napięcia na urządzeniu lub elemencie prowadzi do zmniejszenia przepływającego przez niego prądu, w przeciwieństwie do typowego zachowania rezystorów, gdzie wzrost napięcia powoduje wzrost prądu (rezystancja dodatnia). Oznacza to, że wraz ze wzrostem napięcia przyłożonego do urządzenia wykazującego ujemną rezystancję prąd przepływający przez nie maleje.
W badaniach klasy 12 lub w elektronice opór ujemny jest często omawiany w kontekście niektórych urządzeń półprzewodnikowych, takich jak diody tunelowe lub niektóre typy tranzystorów. Na przykład diody tunelowe wykazują obszar w swojej charakterystyce prądowo-napięciowej, w którym nachylenie jest ujemne, co wskazuje na zachowanie ujemnej rezystancji.
Kilka czynników może powodować wystąpienie ujemnej rezystancji w urządzeniu. Jedną z częstych przyczyn jest obecność efektów mechaniki kwantowej lub konfiguracja pasm energii w niektórych materiałach półprzewodnikowych. Na przykład w diodach tunelowych rezystancja ujemna powstaje w wyniku zjawiska tunelowania kwantowego w wąskim obszarze zubożenia struktury diody. W innych urządzeniach oporność ujemną można wytworzyć poprzez mechanizmy sprzężenia zwrotnego lub określone profile domieszkowania, które zmieniają charakterystykę transportu nośnika.
Ujemny odczyt rezystancji ma miejsce, gdy zależność napięcie-prąd urządzenia lub komponentu wykazuje ujemne nachylenie na krzywej prąd-napięcie. Odczyt ten wskazuje, że zwiększenie napięcia przyłożonego do urządzenia prowadzi do zmniejszenia przepływającego przez nie prądu. Można to zaobserwować eksperymentalnie i ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach, w których pożądane są oscylacje, wzmocnienie lub charakterystyki przełączania.
Rezystancja ujemna różni się od rezystancji dodatniej stosunkiem napięcia do prądu. Dodatnia rezystancja, typowa dla większości rezystorów i przewodników, wykazuje zależność liniową lub nieliniową, w której wzrost napięcia prowadzi do proporcjonalnego wzrostu prądu (prawo Ohma). Natomiast rezystancja ujemna wykazuje odwrotną zależność, w której wzrost napięcia powoduje spadek prądu.
Zasada ujemnego oporu wynika z unikalnych właściwości elektronicznych niektórych materiałów lub urządzeń. W półprzewodnikach, takich jak diody tunelowe, opór ujemny występuje w wyniku efektów mechaniki kwantowej, które umożliwiają elektronom tunelowanie przez barierę potencjału w określonych warunkach. Ten efekt tunelowania tworzy obszar w charakterystyce prądowo-napięciowej, w którym rezystancja wydaje się ujemna, co objawia się charakterystycznym zachowaniem przydatnym w zastosowaniach takich jak oscylatory, generowanie sygnału i obwody przełączające. Zrozumienie i wykorzystanie zasad ujemnego oporu jest niezbędne w zaawansowanym projektowaniu obwodów elektronicznych i teoretycznych badaniach fizyki półprzewodników.