Tunnel Diode - Κύκλωμα εργασίας και εφαρμογής

Η δίοδος σήραγγας είναι ένας τύπος δίοδος ημιαγωγού που παρουσιάζει αρνητική αντίσταση λόγω ενός κβαντικού μηχανικού φαινομένου γνωστού ως σήραγγας.

Σε αυτήν την ανάρτηση θα μάθουμε τα βασικά χαρακτηριστικά και τη λειτουργία των διόδων σήραγγας, καθώς και ένα απλό κύκλωμα εφαρμογής που χρησιμοποιεί αυτήν τη συσκευή.

Θα δούμε πώς θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί μια δίοδος σήραγγας για την αλλαγή θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια και για τη φόρτιση μιας μικρής μπαταρίας.

Πιστωτική εικόνα: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GE_1N3716_tunnel_diode.jpg

ΣΦΑΙΡΙΚΗ ΕΙΚΟΝΑ

Μετά από μια μακρά εξαφάνιση από τον κόσμο των ημιαγωγών, η δίοδος σήραγγας, επανεκκινήθηκε στην πραγματικότητα ως αποτέλεσμα του γεγονότος ότι θα μπορούσε να εφαρμοστεί για τη μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι διόδους σήραγγας είναι επίσης γνωστές ως Δίοδος Esaki , πήρε το όνομά του από τον Ιάπωνα εφευρέτη του.

Στα δεκαεννέα πενήντα και εξήντα, οι διόδους σήραγγας εφαρμόστηκαν σε πολλές εφαρμογές κυρίως σε κυκλώματα RF, στις οποίες οι εξαιρετικές τους ιδιότητες επωφελήθηκαν από την παραγωγή αισθητήρων εξαιρετικά ταχείας στάθμης, ταλαντωτών, αναμικτήρων και τέτοιου είδους.

Πώς λειτουργεί η δίοδος σήραγγας

Σε αντίθεση με μια τυπική δίοδο, μια δίοδος σήραγγας λειτουργεί χρησιμοποιώντας μια ουσία ημιαγωγού που έχει ένα απίστευτα μεγάλο επίπεδο ντόπινγκ, οδηγώντας στο στρώμα εξάντλησης μεταξύ της διασταύρωσης p -n να γίνει περίπου 1000 φορές πιο στενή ακόμη και από τις ταχύτερες διόδους πυριτίου.

Μόλις η δίοδος σήραγγας προχωρήσει προς τα εμπρός, αρχίζει μια διαδικασία γνωστή ως «σήραγγα» της ροής ηλεκτρονίων σε όλη τη διασταύρωση p -n.

Το «Tunneling» σε ημιαγωγούς με νάρκωση είναι στην πραγματικότητα μια μέθοδος που δεν είναι εύκολα κατανοητή χρησιμοποιώντας τη συμβατική ατομική υπόθεση και ίσως δεν μπορεί να καλυφθεί σε αυτό το μικρό άρθρο.

Σχέση μεταξύ της προόδου προς τα εμπρός τάσης διόδους σήραγγας και ρεύματος

Ενώ δοκιμάζουμε τη σχέση μεταξύ της μπροστινής τάσης της διόδου σήραγγας, του UF και του ρεύματος, IF, μπορούμε να διαπιστώσουμε ότι η μονάδα διαθέτει ένα χαρακτηριστικό αρνητικής αντίστασης μεταξύ της τάσης αιχμής, της Up και της τάσης κοιλάδας, Uv, όπως φαίνεται στο Σχήμα παρακάτω.

Επομένως, όταν η δίοδος τροφοδοτείται εντός της σκιασμένης περιοχής της καμπύλης IF-UF, το προς τα εμπρός ρεύμα μειώνεται καθώς αυξάνεται η τάση. Η αντίσταση της διόδου είναι χωρίς αμφιβολία αρνητική και συνήθως παρουσιάζεται ως -Rd.

Ο σχεδιασμός που παρουσιάζεται σε αυτό το άρθρο εκμεταλλεύεται την παραπάνω ποιότητα διόδων σήραγγας εφαρμόζοντας ένα σύνολο σειριακών συνδεδεμένων συσκευών διόδων για τη φόρτιση μιας μπαταρίας μέσω ηλιακή θερμότητα (όχι ηλιακό πάνελ).

Όπως παρατηρείται στο παρακάτω Σχήμα, επτά ή περισσότερες διόδους σήραγγας Γάλλιο-Ιντιμίδιο (GISp) συνδέονται σε σειρά και στερεώνονται σε μια μεγάλη ψύκτρα, η οποία βοηθά στην αποφυγή της εξάλειψης της ισχύος τους (οι διόδους σήραγγας γίνονται πιο δροσερές καθώς το UF αυξάνεται ή αυξάνεται) .

Το Heatsink χρησιμοποιείται για να επιτρέψει μια αποτελεσματική συσσώρευση ηλιακής θερμότητας ή οποιαδήποτε άλλη μορφή θερμότητας που μπορεί να εφαρμοστεί, της οποίας η ενέργεια απαιτείται να μετατραπεί σε ρεύμα φόρτισης για τη φόρτιση της προτεινόμενης μπαταρίας Ni-Cd.

Μετατροπή θερμότητας σε ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας διόδους σήραγγας (θερμική ηλεκτρική ενέργεια)

Η θεωρία εργασίας αυτής της ειδικής διαμόρφωσης είναι πραγματικά εκπληκτικά απλή. Φανταστείτε ότι ένα συνηθισμένο, φυσικό, αντίσταση, R, μπορεί να αποφορτίσει μια μπαταρία μέσω ενός ρεύματος I = V / R. που σημαίνει ότι μια αρνητική αντίσταση θα είναι σε θέση να ξεκινήσει μια διαδικασία φόρτισης για την ίδια μπαταρία, απλώς και μόνο επειδή το σημείο I αντιστρέφεται, δηλαδή: -I = V / -R

Με τον ίδιο τρόπο, εάν μια κανονική αντίσταση επιτρέπει την απαγωγή θερμότητας από P = PR watt, μια αρνητική αντίσταση θα είναι σε θέση να παρέχει την ίδια ποσότητα ισχύος στο φορτίο: P = -It-R.

Κάθε φορά που το φορτίο είναι από μόνη του πηγή τάσης με σχετικά μειωμένη εσωτερική αντίσταση, η αρνητική αντίσταση πρέπει, βεβαίως, να δημιουργήσει μεγαλύτερο επίπεδο τάσης για τη ροή ρεύματος, Ic, που ρέει από τον τύπο:

Ic= δ[ Σ(Uf) - Ubat] / Σ (Rd)+Rbat

Αναφερόμενος στον σχολιασμό Σ (Rd) είναι αμέσως κατανοητό ότι όλες οι δίοδοι εντός της ακολουθίας συμβολοσειρών πρέπει να εκτελούνται εντός της περιοχής -Rd, κυρίως επειδή οποιαδήποτε μεμονωμένη δίοδος με χαρακτηριστικό + Rd μπορεί να τερματίσει τον στόχο.

Δοκιμή διόδων σήραγγας

Για να βεβαιωθείτε ότι όλες οι δίοδοι παρουσιάζουν αρνητική αντίσταση, θα μπορούσε να σχεδιαστεί ένα απλό κύκλωμα δοκιμής όπως αποκαλύπτεται στο παρακάτω σχήμα.

Παρατηρήστε ότι ο μετρητής πρέπει να καθοριστεί για να υποδείξει την πολικότητα του ρεύματος, διότι θα μπορούσε πολύ καλά ότι μια συγκεκριμένη δίοδος έχει πολύ υπερβολική αναλογία IP: Iv (κλίση σήραγγας) που προκαλεί απροσδόκητα φόρτιση της μπαταρίας κατά την εφαρμογή μιας μικρής προόδου.

Η ανάλυση πρέπει να πραγματοποιηθεί σε ατμοσφαιρική θερμοκρασία κάτω των 7 ° C (δοκιμάστε έναν καθαρισμένο καταψύκτη) και σημειώστε την καμπύλη UF-IF για κάθε μία δίοδο αυξάνοντας σχολαστικά την εμπρόσθια προκατάληψη μέσω του ποτενσιόμετρου και τεκμηριώνοντας τα προκύπτοντα μεγέθη ΕΑΝ, όπως εμφανίζεται στην ένδειξη του μετρητή.

Στη συνέχεια, φέρτε ένα ραδιόφωνο FM κοντά για να βεβαιωθείτε ότι η δίοδος που δοκιμάζεται δεν ταλαντεύεται στα 94,67284 MHz (Freq, για GISp σε επίπεδο ντόπινγκ 10-7).

Εάν διαπιστώσετε ότι συμβαίνει αυτό, η συγκεκριμένη δίοδος μπορεί να είναι ακατάλληλη για την παρούσα εφαρμογή. Προσδιορίστε το εύρος OF που εγγυάται -Rd για όλες σχεδόν τις διόδους. Με βάση το όριο κατασκευής των διόδων στη διαθέσιμη παρτίδα, αυτό το εύρος θα μπορούσε να είναι το ελάχιστο όπως, ας πούμε, 180 έως 230 mV.

Κύκλωμα εφαρμογής

Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από διόδους σήραγγας από θερμότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη φόρτιση μιας μικρής μπαταρίας Ni-Cd.

Κατ 'αρχάς προσδιορίστε την ποσότητα των διόδων που είναι απαραίτητες για τη φόρτιση της μπαταρίας μέσω του ελάχιστου ρεύματος: για την παραπάνω επιλογή UF, θα πρέπει να συνδέονται τουλάχιστον επτά δίοδοι σε σειρά για να παρέχουν ρεύμα φόρτισης περίπου 45 mA όταν θερμαίνονται σε επίπεδο θερμοκρασίας:

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

Ή περίπου 35 ° C όταν η θερμική αντίσταση της ψύκτρας δεν υπερβαίνει τα 3,5 K / W και όταν είναι εγκατεστημένη κάτω από το μέγιστο φως του ήλιου (Ta 26 ° C). Για να έχετε τη μέγιστη απόδοση από αυτόν τον φορτιστή NiCd, η ψύκτρα πρέπει να έχει σκούρο χρώμα για την καλύτερη δυνατή ανταλλαγή θερμότητας με τις διόδους.

Επιπλέον, δεν πρέπει να είναι μαγνητικό, δεδομένου ότι οποιοδήποτε είδος εξωτερικού πεδίου, προκαλούμενο ή μαγνητικό, θα προκαλέσει ασταθή διέγερση των φορέων φορτίου εντός των σηράγγων.

Αυτό συνεπώς μπορεί να επιφέρει τα ανυποψίαστα ηλεκτρόνια του αγωγού, πιθανότατα να χτυπηθούν από τη σύνδεση p -n πάνω από το υπόστρωμα, και έτσι να συσσωρευτούν γύρω από τους ακροδέκτες της διόδου, προκαλώντας ίσως επικίνδυνες τάσεις ανάλογα με το μεταλλικό περίβλημα.

Αρκετές διόδους σήραγγας τύπου BA7891NG είναι, δυστυχώς, πολύ ευαίσθητες στα ελάχιστα μαγνητικά πεδία, και δοκιμές έχουν αποδείξει ότι αυτές πρέπει να διατηρηθούν οριζόντιες σε σχέση με την επιφάνεια της γης για την απαγόρευση αυτού.

Πρωτότυπο πρωτότυπο επίδειξη ηλεκτρικής ενέργειας από ηλιακή θερμότητα χρησιμοποιώντας διόδους σήραγγας