Tunneldiode - Arbeids- og applikasjonskrets

En tunneldiode er en type halvlederdiode som har en negativ motstand på grunn av en kvantemekanisk effekt kjent som tunneling.

I dette innlegget vil vi lære de grunnleggende egenskapene og virkemåten til tunneldioder, og også en enkel applikasjonskrets som bruker denne enheten.

Vi får se hvordan en tunneldiode kan brukes til å endre varme til strøm, og til å lade et lite batteri.

Bildekreditt: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GE_1N3716_tunnel_diode.jpg

Oversikt

Etter en lang forsvinning fra halvlederverdenen, tunneldioden, er faktisk blitt lansert på nytt som et resultat av at den kunne implementeres for å konvertere varmeenergi til elektrisitet. Tunneldioder er også kjent som Esaki-diode , oppkalt etter den japanske oppfinneren.

På nitten femti- og sekstitallet ble tunneldioder implementert i mange applikasjoner, hovedsakelig i RF-kretser, der deres ekstraordinære egenskaper ble utnyttet for å produsere ekstremt raske sensorer, oscillatorer, miksere og sånt.

Hvordan tunneldiode fungerer

I motsetning til en standarddiode fungerer en tunneldiode ved å bruke et halvledermateriale som har et utrolig stort dopingsnivå, noe som fører til at uttømmingslaget mellom p-n-krysset blir omtrent 1000 ganger smalere selv enn de raskeste silisiumdioder.

Når tunneldioden er forspent, begynner en prosess kjent som 'tunneling' av elektronstrømmen å skje gjennom hele p-n-krysset.

'Tunneling' i dopede halvledere er faktisk en metode som ikke er lett forståelig ved bruk av konvensjonell atomhypotese, og kan kanskje ikke dekkes i denne lille artikkelen.

Forholdet mellom tunneldiode fremover spenning og strøm

Mens vi tester forholdet mellom en tunneldiodes fremoverspenning, UF og strøm, IF, kan vi finne at enheten eier en negativ motstandskarakteristikk mellom toppspenningen, Opp og dalspenningen, Uv, som vist i figur nedenfor.

Derfor, når dioden får strøm innenfor det skyggelagte området av IF-UF-kurven, kommer fremoverstrømmen ned når spenningen går opp. Motstanden til dioden er uten tvil negativ, og presenteres normalt som -Rd.

Designet som presenteres i denne artikkelen tar fordel av ovennevnte kvalitet av tunneldioder ved å implementere et sett med seriekoblede tunneldiodeenheter for å lade et batteri gjennom solvarme (ikke solcellepanel).

Som observert i figur nedenfor, er syv eller flere Gallium-Indium Antimonide (GISp) tunneldioder koblet i serie og klemmet over på en stor kjøleribbe, noe som hjelper til med å forhindre spredning av kraften (tunneldioder blir kjøligere når UF går høyere eller økes) .

Varmeavleder brukes til å muliggjøre en effektiv opphopning av solvarme, eller annen form for varme som kan tilføres, hvis energi må transformeres til en ladestrøm for lading av det foreslåtte Ni-Cd-batteriet.

Konverter varme til elektrisitet ved hjelp av tunneldioder (termisk elektrisitet)

Arbeidsteorien til denne spesielle konfigurasjonen er faktisk utrolig grei. Tenk deg at en vanlig, naturlig motstand, R, er i stand til å lade ut et batteri gjennom en strøm I = V / R. noe som innebærer at en negativ motstand vil kunne starte en ladeprosess for det samme batteriet, ganske enkelt fordi tegnet på jeg blir reversert, det vil si: -I = V / -R.

På samme måte, hvis en normal motstand tillater varmespredning med P = PR watt, vil en negativ motstand kunne gi samme mengde watt i belastningen: P = -It-R.

Når belastningen er en spenningskilde alene med relativt redusert indre motstand, må den negative motstanden absolutt generere et større spenningsnivå for ladestrømmen, Ic, til å strømme, gitt av formelen:

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

Med henvisning til merknaden Σ (Rd) forstås det med en gang at alle dioder i strengsekvensen må kjøres inne i -Rd-regionen, hovedsakelig fordi enhver individuell diode med + Rd-karakteristikk kan avslutte målet.

Testing av tunneldioder

For å sikre at alle dioder har negativ motstand, kan en enkel testkrets utformes som avslørt i følgende figur.

Vær oppmerksom på at måleren skal spesifiseres for å indikere polariteten til strømmen, fordi det veldig godt kan skje at en spesifikk diode har et veldig høyt IP: Iv-forhold (tunnelhelling) som forårsaker at batteriet uventet lades ved implementering av en liten forspenning.

Analysen må utføres ved en atmosfærisk temperatur under 7 ° C (prøv en renset fryser), og noter UF-IF-kurven for hver eneste diode ved å øke den forovergående forspenningen nøye gjennom potensiometeret og dokumentere den resulterende størrelsen på IF, som vist på måleren.

Deretter tar du en FM-radio i nærheten for å forsikre deg om at dioden som testes ikke svinger ved 94,67284 MHz (Freq, for GISp på dopingnivå 10-7).

Hvis du finner ut at dette skjer, kan den spesifikke dioden være uegnet for denne applikasjonen. Bestem rekkevidden av OF som garanterer -Rd for omtrent alle dioder. Basert på produksjonsterskelen til diodene i det tilgjengelige partiet, kan dette området være så minimalt som for eksempel 180 til 230 mV.

Søknadskrets

Elektrisiteten som produseres av tunneldioder fra varme, kan brukes til å lade et lite Ni-Cd-batteri.

Bestem først mengden dioder som er nødvendige for å lade batteriet gjennom sin minimale strøm: for det ovennevnte valget av UF, må minst syv dioder kobles i serie for å gi en ladestrøm på omtrent 45 mA når de varmes opp til et temperaturnivå på:

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

Eller omtrent 35 ° C når den termiske motstanden til kjøleribben ikke er mer enn 3,5 K / W, og når den installeres i topp sollys (Ta 26 ° C). For å få maksimal effektivitet ut av denne NiCd-laderen, må kjøleplaten være mørkfarget for best mulig varmeveksling til dioder.

I tillegg må det ikke være magnetisk, med tanke på at noen form for utenfor felt, indusert eller magnetisk, vil forårsake ustabil stimulering av ladebærerne i tunnelene.

Dette kan følgelig føre til at intetanende kanaleffekt elektroner sannsynligvis kan bli slått fra fra p-n-krysset over substratet, og derved bygge seg opp rundt diodeterminalene, og utløse kanskje farlige spenninger avhengig av metallhus.

Flere tunneldioder Type BA7891NG er dessverre veldig følsomme for minste magnetfelt, og tester har bevist at disse må opprettholdes horisontalt med hensyn til jordoverflaten for å hindre dette.

Original prototype som demonstrerer elektrisitet fra solvarme ved hjelp av tunneldioder