Туннельный диод - рабочая и прикладная схема

Туннельный диод - это тип полупроводникового диода, который имеет отрицательное сопротивление из-за квантово-механического эффекта, известного как туннелирование.

В этом посте мы узнаем основные характеристики и работу туннельных диодов, а также простую схему применения с этим устройством.

Мы увидим, как туннельный диод можно использовать для преобразования тепла в электричество и для зарядки небольшой батареи.

Кредит изображения: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GE_1N3716_tunnel_diode.jpg

Обзор

После долгого исчезновения из мира полупроводников туннельный диод был фактически повторно запущен в результате того, что его можно было использовать для преобразования тепловой энергии в электричество. Туннельные диоды также известны как Диод Эсаки , названный в честь японского изобретателя.

В 1950–60-е годы туннельные диоды использовались во многих приложениях, в первую очередь в радиочастотных схемах, в которых их исключительные качества использовались для производства чрезвычайно быстрых датчиков уровня, генераторов, смесителей и тому подобного.

Как работает туннельный диод

В отличие от стандартного диода, туннельный диод работает с использованием полупроводникового вещества с невероятно большим уровнем легирования, что приводит к тому, что обедненный слой между p-n переходом становится примерно в 1000 раз уже, чем самые быстрые кремниевые диоды.

Как только туннельный диод смещен в прямом направлении, через p -n переход начинает происходить процесс, известный как «туннелирование» электронного потока.

«Туннелирование» в легированных полупроводниках на самом деле метод, который нелегко понять с помощью традиционной атомной гипотезы, и, возможно, он не может быть описан в этой небольшой статье.

Связь между прямым напряжением туннельного диода и током

При тестировании зависимости между прямым напряжением туннельного диода UF и током IF мы можем обнаружить, что блок имеет характеристику отрицательного сопротивления между пиковым напряжением Up и минимальным напряжением Uv, как показано на рисунке ниже.

Следовательно, когда диод запитан в пределах заштрихованной области его кривой IF-UF, прямой ток снижается по мере увеличения напряжения. Сопротивление диода, несомненно, отрицательное и обычно обозначается как -Rd.

Конструкция, представленная в этой статье, использует преимущество вышеуказанного качества туннельных диодов за счет реализации набора последовательно соединенных туннельных диодных устройств для зарядки батареи через солнечное тепло (не солнечная панель).

Как показано на рисунке ниже, семь или более туннельных диодов на основе антимонида галлия-индия (GISp) подключены последовательно и закреплены на большом радиаторе, что помогает предотвратить рассеяние их мощности (туннельные диоды становятся холоднее при повышении или повышении UF) .

Радиатор используется для обеспечения эффективного накопления солнечного тепла или любой другой формы тепла, которое может быть применено, энергия которого требуется преобразовать в ток заряда для зарядки предлагаемого Ni-Cd аккумулятора.

Преобразование тепла в электричество с помощью туннельных диодов (тепловое электричество)

Теория работы этой особой конфигурации на самом деле удивительно проста. Представьте себе обычное естественное сопротивление R, способное разряжать батарею током I = V / R. что означает, что отрицательное сопротивление сможет инициировать процесс зарядки той же батареи просто потому, что знак I изменится на противоположный, то есть: -I = V / -R.

Точно так же, если нормальное сопротивление позволяет рассеивать тепло на P = PR Вт, отрицательное сопротивление сможет обеспечить такую ​​же мощность в нагрузке: P = -It-R.

Когда нагрузка представляет собой самостоятельный источник напряжения с относительно уменьшенным внутренним сопротивлением, отрицательное сопротивление, безусловно, должно генерировать более высокий уровень напряжения для протекания зарядного тока Ic, который задается формулой:

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

Обращаясь к аннотации Σ (Rd), сразу становится понятно, что все диоды в последовательности цепочек должны работать внутри области -Rd, главным образом потому, что любой отдельный диод с характеристикой + Rd может заканчивать объектив.

Тестирование туннельных диодов

Чтобы убедиться, что все диоды имеют отрицательное сопротивление, можно спроектировать простую испытательную схему, как показано на следующем рисунке.

Обратите внимание, что измеритель должен указывать полярность тока, потому что вполне может случиться так, что конкретный диод будет иметь действительно чрезмерное соотношение IP: Iv (туннельный наклон), что приведет к неожиданной зарядке батареи при реализации небольшого прямого смещения.

Анализ должен выполняться при температуре воздуха ниже 7 ° C (попробуйте промытую морозильную камеру) и записать кривую UF-IF для каждого отдельного диода, тщательно увеличивая прямое смещение через потенциометр и документируя полученные величины ЕСЛИ, как показано на показаниях счетчика.

Затем поднесите FM-радио поближе, чтобы убедиться, что проверяемый диод не колеблется на частоте 94,67284 МГц (частота, для GISp при уровне допирования 10-7).

Если вы обнаружите, что это происходит, возможно, конкретный диод не подходит для данного применения. Определите диапазон OF, который гарантирует -Rd практически для всех диодов. Исходя из порога производства диодов в доступной партии, этот диапазон может быть минимальным, например, от 180 до 230 мВ.

Схема применения

Электроэнергия, генерируемая туннельными диодами за счет тепла, может использоваться для зарядки небольшой никель-кадмиевой батареи.

Сначала определите количество диодов, необходимое для зарядки аккумулятора минимальным током: для указанного выше выбора UF необходимо будет подключить последовательно как минимум семь диодов, чтобы обеспечить ток зарядки примерно 45 мА при нагревании. до температурного уровня:

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

Или примерно 35 ° C, если тепловое сопротивление радиатора не превышает 3,5 K / W, и когда он установлен в условиях пикового солнечного света (Ta 26 ° C). Чтобы обеспечить максимальную эффективность этого никель-кадмиевого зарядного устройства, радиатор должен быть темного цвета для наилучшего теплообмена с диодами.

Кроме того, он не должен быть магнитным, учитывая, что любое внешнее поле, индуцированное или магнитное, вызовет нестабильную стимуляцию носителей заряда в туннелях.

Это может, следовательно, вызвать ничего не подозревающий эффект канала. Электроны, вероятно, могут быть выбиты из p-n перехода над подложкой и, таким образом, накапливаться вокруг выводов диода, вызывая, возможно, опасные напряжения в зависимости от металлического корпуса.

Несколько туннельных диодов типа BA7891NG, к сожалению, очень чувствительны к мельчайшим магнитным полям, и испытания показали, что их необходимо поддерживать горизонтально по отношению к поверхности земли, чтобы предотвратить это.

Оригинальный прототип, демонстрирующий получение электричества из солнечного тепла с использованием туннельных диодов