Tunneldiod - Arbets- och applikationskrets

En tunneldiod är en typ av halvledardiod som har ett negativt motstånd på grund av en kvantmekanisk effekt som kallas tunnling.

I det här inlägget kommer vi att lära oss de grundläggande egenskaperna och arbetet hos tunneldioder, och även en enkel applikationskrets med denna enhet.

Vi får se hur en tunneldiod kan användas för att ändra värme till el och för att ladda ett litet batteri.

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

Översikt

Efter ett långt försvinnande från halvledarvärlden, tunneldioden, har faktiskt lanserats på nytt som ett resultat av det faktum att den kunde implementeras för att omvandla värmeenergi till el. Tunneldioder är också kända som Esaki-diod , uppkallad efter sin japanska uppfinnare.

På nitton femtio- och sextiotalet implementerades tunneldioder i många applikationer, främst i RF-kretsar, där deras extraordinära egenskaper utnyttjades för att producera extremt snabba sensorer, oscillatorer, blandare och sådant.

Hur tunneldiod fungerar

Till skillnad från en standarddiod fungerar en tunneldiod genom att använda en halvledarsubstans som har en oerhört stor dopningsnivå, vilket leder till att uttömningsskiktet mellan p-n-korsningen blir ungefär 1000 gånger smalare även än de snabbaste kiseldioderna.

När tunneldioden är förspänd framåt börjar en process som kallas 'tunnling' av elektronflödet hända genom hela p-n-korsningen.

'Tunneling' i dopade halvledare är faktiskt en metod som inte är lätt att förstå med konventionell atomhypotes, och kan kanske inte behandlas i den här lilla artikeln.

Förhållandet mellan tunneldiodens framspänning och ström

När vi testar förhållandet mellan en tunneldiods framspänning, UF och ström, IF, kan vi upptäcka att enheten äger en negativ motståndskarakteristik mellan toppspänningen, Upp och dalspänningen, Uv, vilket visas i figuren nedan.

Därför, när dioden drivs inom det skuggade området av sin IF-UF-kurva, kommer framströmmen ner när spänningen går upp. Diodens motstånd är utan tvekan negativ och presenteras normalt som -Rd.

Designen som presenteras i den här artikeln tar fördelen av ovanstående kvalitet på tunneldioder genom att implementera en uppsättning seriellt anslutna tunneldiodanordningar för att ladda ett batteri genom solvärme (inte solpanel).

Som observerats i figuren nedan är sju eller flera tunneldioder av gallium-indiumantimonid (GISp) anslutna i serie och kläms fast på en stor kylfläns, vilket hjälper till att förhindra förlust av deras kraft (tunneldioder blir svalare när UF blir högre eller ökad) .

Heatsink används för att möjliggöra en effektiv ackumulering av solvärme eller någon annan form av värme som kan appliceras, vars energi krävs för att omvandlas till en laddningsström för laddning av det föreslagna Ni-Cd-batteriet.

Konvertera värme till el med hjälp av tunneldioder (termisk elektricitet)

Arbetsteorin för denna speciella konfiguration är faktiskt otroligt enkel. Tänk dig att ett vanligt, naturligt motstånd, R, kan ladda ur ett batteri genom en ström I = V / R. vilket innebär att ett negativt motstånd kommer att kunna starta en laddningsprocess för samma batteri, helt enkelt för att tecknet på I blir omvänd, det vill säga: -I = V / -R.

På samma sätt, om ett normalt motstånd tillåter värmeavledning med P = PR watt, kommer ett negativt motstånd att kunna ge samma mängd watt i belastningen: P = -It-R.

Närhelst belastningen är en spänningskälla i sig med relativt reducerat internt motstånd, måste det negativa motståndet verkligen skapa en större spänningsnivå för laddningsströmmen, Ic, att flöda som ges med formeln:

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

Med hänvisning till anteckningen Σ (Rd) förstås genast att alla dioder inom strängsekvensen måste köras inuti -Rd-regionen, främst för att varje enskild diod med en + Rd-karakteristik kan avsluta målet.

Testa tunneldioder

För att säkerställa att alla dioder uppvisar ett negativt motstånd kan en enkel testkrets utformas som avslöjas i följande figur.

Observera att mätaren ska specificeras för att indikera polariteten på strömmen, för det kan mycket väl hända att en specifik diod har ett riktigt överdrivet IP: Iv-förhållande (tunnellutning) vilket orsakar att batteriet oväntat laddas vid implementering av en liten framåtförspänning.

Analysen måste utföras vid en atmosfärstemperatur under 7 ° C (prova en rensad frys) och notera UF-IF-kurvan för varje enskild diod genom att noggrant öka den främre förspänningen genom potentiometern och dokumentera de resulterande storheterna av IF, som visas på mätaravläsningen.

Därefter stäng en FM-radio i närheten för att se till att dioden som testas inte svänger vid 94,67284 MHz (frekv. För GISp på dopningsnivå 10-7).

Om du tycker att detta händer kan den specifika dioden vara olämplig för den aktuella applikationen. Bestäm utbudet av OF som garanterar -Rd för nästan alla dioder. Baserat på tillverkningströskeln för dioderna i det tillgängliga partiet, kan detta intervall vara så minimalt som t.ex. 180 till 230 mV.

Applikationskrets

Den el som genereras av tunneldioder från värme kan användas för att ladda ett litet Ni-Cd-batteri.

Bestäm först mängden dioder som krävs för att ladda batteriet genom dess minimala ström: för ovanstående val av UF måste minst sju dioder kopplas i serie för att ge en laddningsström på cirka 45 mA när de värms upp till en temperaturnivå på:

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

Eller ungefär 35 ° C när kylflänsens termiska motstånd inte är mer än 3,5 K / W och när den installeras i topp solljus (Ta 26 ° C). För att få maximal effektivitet av denna NiCd-laddare måste kylflänsen vara mörkfärgad för bästa möjliga värmeväxling till dioderna.

Dessutom får den inte vara magnetisk, med tanke på att någon form av yttre fält, inducerat eller magnetiskt, kommer att orsaka instabil stimulering av laddningsbärarna i tunnlarna.

Detta kan följaktligen leda till att de intet ont anande kanaleffektelektronerna troligen kan slås från p-n-korsningen över substratet och därmed byggas upp kring diodanslutningarna, vilket kan utlösa farliga spänningar beroende på metallhöljet.

Flera tunneldioder typ BA7891NG är tyvärr mycket känsliga för minsta magnetiska fält, och tester har visat att dessa måste hållas horisontella med avseende på jordytan för att förskjuta detta.

Originalprototyp som demonstrerar elektricitet från solvärme med hjälp av tunneldioder