Tunelová dioda - pracovní a aplikační obvod

Tunelová dioda je typ polovodičové diody, která má negativní odpor kvůli kvantově mechanickému jevu známému jako tunelování.

V tomto příspěvku se naučíme základní vlastnosti a fungování tunelových diod a také jednoduchý aplikační obvod využívající toto zařízení.

Uvidíme, jak by mohla být tunelová dioda použita pro změnu tepla na elektřinu a pro nabíjení malé baterie.

Image Credit: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GE_1N3716_tunnel_diode.jpg

Přehled

Po dlouhém zmizení ze světa polovodičů byla tunelová dioda znovu zahájena v důsledku skutečnosti, že by mohla být implementována pro převod tepelné energie na elektřinu. Tunelové diody jsou také známé jako Esakiho dioda , pojmenovaná po svém japonském vynálezci.

V devadesátých a šedesátých letech byly tunelové diody implementovány v mnoha aplikacích především v RF obvodech, ve kterých byly jejich mimořádné kvality využity pro výrobu extrémně rychlých snímačů úrovně, oscilátorů, mixérů a podobných věcí.

Jak funguje tunelová dioda

Na rozdíl od standardní diody funguje tunelová dioda pomocí polovodičové látky, která má neuvěřitelně velkou dopingovou hladinu, což vede k tomu, že se vyčerpaná vrstva mezi křižovatkou p-n stane přibližně 1000krát užší než nejrychlejší křemíkové diody.

Jakmile je tunelová dioda předpjatá dopředu, začne se během spojení p-n provádět proces známý jako „tunelování“ toku elektronů.

„Tunelování“ v dopovaných polovodičích je ve skutečnosti metoda, která není snadno srozumitelná konvenční atomovou hypotézou, a kterou snad tento malý článek nepokrývá.

Vztah mezi dopředným napětím a proudem tunelové diody

Při testování vztahu mezi dopředným napětím tunelové diody UF a proudem IF zjistíme, že jednotka vlastní zápornou charakteristiku odporu mezi špičkovým napětím Up a dolním napětím Uv, jak je ukázáno na obr. Níže.

Proto, když je dioda napájena ve stinné oblasti její křivky IF-UF, klesá dopředný proud s rostoucím napětím. Odpor diody je bezpochyby záporný a obvykle se uvádí jako -Rd.

Návrh prezentovaný v tomto článku využívá výhody výše uvedené kvality tunelových diod implementací sady sériově připojených tunelových diod pro nabíjení baterie prostřednictvím sluneční teplo (ne solární panel).

Jak je vidět na obrázku níže, sedm nebo více tunelových diod Gallium-Indium Antimonide (GISp) je zapojeno do série a přichyceno na velkém chladiči, což pomáhá zabránit ztrátě jejich výkonu (tunelové diody jsou chladnější, jak se UF zvyšuje nebo zvyšuje) .

Chladič se používá k umožnění účinné akumulace slunečního tepla nebo jakékoli jiné formy tepla, které může být použito, jehož energii je třeba transformovat na nabíjecí proud pro nabíjení navrhované Ni-Cd baterie.

Převeďte teplo na elektřinu pomocí tunelových diod (tepelná elektřina)

Pracovní teorie této speciální konfigurace je ve skutečnosti neuvěřitelně přímočará. Představte si běžný, přirozený odpor R, který je schopen vybít baterii proudem I = V / R. což znamená, že záporný odpor bude schopen zahájit proces nabíjení pro stejnou baterii, jednoduše proto, že značka I se obrátí, to je: -I = V / -R.

Stejným způsobem, pokud normální odpor umožňuje odvod tepla o P = PR wattů, záporný odpor bude schopen poskytnout stejné množství příkonu do zátěže: P = -It-R.

Kdykoli je zátěž samotným zdrojem napětí s relativně sníženým vnitřním odporem, musí záporný odpor jistě generovat vyšší úroveň napětí pro nabíjecí proud, Ic, pro tok, který je dán vzorcem:

Ic = δ [Σ (Uf) - Ubat] / Σ (Rd) + Rbat

S odkazem na anotaci Σ (Rd) je hned zřejmé, že všechny diody v řetězcové sekvenci musí být spuštěny uvnitř oblasti -Rd, hlavně proto, že každá jednotlivá dioda s charakteristikou + Rd může ukončit cíl.

Testování tunelových diod

Aby bylo zajištěno, že všechny diody mají záporný odpor, může být navržen přímý testovací obvod, jak je znázorněno na následujícím obrázku.

Mějte na paměti, že měřič by měl být specifikován tak, aby indikoval polaritu proudu, protože by se mohlo velmi dobře stát, že konkrétní dioda má skutečně nadměrný poměr IP: Iv (sklon tunelu), což způsobí neočekávané nabití baterie při implementaci malého předpětí.

Analýza musí být provedena při atmosférické teplotě pod 7 ° C (vyzkoušejte vyčištěnou mrazničku) a zaznamenejte křivku UF-IF pro každou jednotlivou diodu pečlivým zvýšením dopředného předpětí potenciometrem a dokumentováním výsledných velikostí IF, jak je zobrazeno na odečtu měřiče.

Dále přiveďte FM rádio, abyste se ujistili, že testovaná dioda neciluje na 94,67284 MHz (Freq, pro GISp na dopingové úrovni 10-7).

Pokud zjistíte, že k tomu dochází, může být konkrétní dioda pro tuto aplikaci nevhodná. Určete rozsah OF, který zaručuje -Rd téměř pro všechny diody. Na základě výrobního prahu diod v dostupné šarži by tento rozsah mohl být stejně minimální, řekněme 180 až 230 mV.

Aplikační obvod

Elektřina generovaná tunelovými diodami z tepla může být použita k nabíjení malé Ni-Cd baterie.

Nejprve určete množství diod potřebných k nabíjení baterie prostřednictvím jejího minimálního proudu: pro výše uvedený výběr UF bude muset být zapojeno minimálně sedm diod v sérii, aby při zahřátí poskytly nabíjecí proud přibližně 45 mA na teplotní úroveň:

Γ [-Σ (Rd) If] [δ (Rth-j) - RΘ] .√ (Td + Ta) ° C

Nebo přibližně 35 ° C, když tepelný odpor chladiče není větší než 3,5 K / W a pokud je instalován na špičkovém slunečním světle (Ta 26 ° C). Aby tato nabíječka NiCd měla maximální účinnost, musí být chladič tmavě zbarvený, aby byla zajištěna nejlepší možná výměna tepla s diodami.

Navíc to nesmí být magnetické, vzhledem k tomu, že jakýkoli druh vnějšího pole, indukovaného nebo magnetického, způsobí nestabilní stimulaci nosičů náboje v tunelech.

To může následně způsobit, že elektrony, které nemají nic netušícího kanálu, mohou být pravděpodobně klepány z p-n křižovatky přes substrát, a tím se hromadí kolem terminálů diod, což vyvolá možná nebezpečná napětí v závislosti na kovovém pouzdře.

Několik tunelových diod typu BA7891NG je, bohužel, velmi citlivých na nejmenší magnetická pole a testy prokázaly, že je třeba je udržovat vodorovně, pokud jde o zemský povrch, aby to nebylo možné.

Originální prototyp demonstrující elektřinu ze slunečního tepla pomocí tunelových diod