Tunnel Diode - Mạch làm việc và ứng dụng

Diode đường hầm là một loại diode bán dẫn có điện trở âm do hiệu ứng cơ lượng tử được gọi là đường hầm.

Trong bài đăng này, chúng ta sẽ tìm hiểu các đặc điểm cơ bản và cách làm việc của điốt đường hầm, và một mạch ứng dụng đơn giản sử dụng thiết bị này.

Chúng ta sẽ xem cách một diode đường hầm có thể được sử dụng để biến đổi nhiệt thành điện năng và để sạc một cục pin nhỏ.

Tín dụng hình ảnh: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GE_1N3716_tunnel_diode.jpg

Tổng quat

Sau một thời gian dài biến mất khỏi thế giới bán dẫn, diode đường hầm, đã thực sự được tái khởi động do thực tế là nó có thể được thực hiện để chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng. Điốt đường hầm còn được gọi là Điốt Esaki , được đặt theo tên nhà phát minh người Nhật Bản.

Trong những năm mười chín mươi và sáu mươi, điốt đường hầm đã được thực hiện trong rất nhiều ứng dụng chủ yếu trong mạch RF, trong đó những phẩm chất đặc biệt của chúng được tận dụng để sản xuất cảm biến mức cực nhanh, bộ dao động, bộ trộn và những thứ tương tự.

Cách hoạt động của Diode đường hầm

Trái ngược với điốt tiêu chuẩn, điốt đường hầm hoạt động bằng cách sử dụng chất bán dẫn có mức pha tạp cực lớn, dẫn đến lớp suy giảm giữa điểm tiếp giáp p -n trở nên hẹp hơn khoảng 1000 lần so với điốt silicon nhanh nhất.

Một khi diode đường hầm được phân cực thuận, một quá trình được gọi là 'đường hầm' của dòng điện tử bắt đầu xảy ra trong suốt tiếp giáp p -n.

'Đường hầm' trong chất bán dẫn pha tạp chất thực sự là một phương pháp không dễ hiểu khi sử dụng giả thuyết nguyên tử thông thường, và có lẽ không thể được đề cập trong bài báo nhỏ này.

Mối quan hệ giữa điện áp chuyển tiếp diode đường hầm và dòng điện

Trong khi kiểm tra mối quan hệ giữa điện áp chuyển tiếp của diode đường hầm, UF và dòng điện, IF, chúng ta có thể thấy rằng thiết bị sở hữu đặc tính kháng âm giữa điện áp đỉnh, Up và điện áp thung lũng, Uv, như được minh họa trong Hình bên dưới.

Do đó, khi diode được cấp nguồn trong vùng bóng mờ của đường cong IF-UF của nó, dòng điện thuận đi xuống khi điện áp tăng lên. Điện trở của diode không có bất kỳ nghi ngờ nào là âm, và thường được trình bày dưới dạng -Rd.

Thiết kế được trình bày trong bài viết này tận dụng lợi thế của chất lượng nêu trên của điốt đường hầm bằng cách triển khai một bộ thiết bị điốt đường hầm được kết nối nối tiếp để sạc pin qua năng lượng nhiệt mặt trời (không phải bảng điều khiển năng lượng mặt trời).

Như quan sát trong Hình dưới đây, bảy hoặc nhiều điốt đường hầm Gallium-Indium Antimonide (GISp) được mắc nối tiếp và kẹp trên một tấm tản nhiệt lớn, giúp ngăn chặn sự tiêu tán năng lượng của chúng (điốt đường hầm trở nên mát hơn khi UF tăng hoặc cao hơn) .

Bộ tản nhiệt được sử dụng để cho phép tích tụ hiệu quả nhiệt mặt trời hoặc bất kỳ dạng nhiệt nào khác có thể được áp dụng, mà năng lượng của chúng được yêu cầu để chuyển hóa thành dòng điện để sạc pin Ni-Cd được đề xuất.

Chuyển đổi nhiệt thành điện bằng cách sử dụng điốt đường hầm (nhiệt điện)

Lý thuyết hoạt động của cấu hình đặc biệt này thực sự đơn giản đến kinh ngạc. Hãy tưởng tượng một điện trở R thông thường, tự nhiên, có thể phóng pin qua dòng điện I = V / R. điều này ngụ ý rằng một điện trở âm sẽ có thể bắt đầu quá trình sạc cho cùng một pin, đơn giản vì dấu hiệu của I bị đảo ngược, đó là: -I = V / -R.

Theo cách tương tự, nếu điện trở thông thường cho phép tản nhiệt bằng P = PR watt, thì điện trở âm sẽ có thể cung cấp cùng một lượng công suất vào tải: P = -t-R.

Bất cứ khi nào tải là nguồn điện áp tự nó có điện trở bên trong tương đối giảm, thì điện trở âm chắc chắn phải tạo ra mức điện áp lớn hơn cho dòng điện, Ic, chạy theo công thức:

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

Đề cập đến chú thích Σ (Rd), người ta hiểu ngay rằng tất cả các điốt trong chuỗi chuỗi phải được chạy bên trong vùng -Rd, chủ yếu là vì bất kỳ điốt riêng lẻ nào có đặc tính + Rd đều có thể kết thúc mục tiêu.

Kiểm tra điốt đường hầm

Để đảm bảo rằng tất cả các điốt đều có điện trở âm, một mạch thử nghiệm đơn giản có thể được thiết kế như được trình bày trong hình sau.

Quan sát rằng đồng hồ phải được chỉ định để chỉ ra cực của dòng điện, vì rất có thể xảy ra trường hợp một diode cụ thể có tỷ lệ IP: Iv thực sự quá mức (độ dốc đường hầm) khiến pin được sạc bất ngờ khi thực hiện phân cực thuận nhỏ.

Phép phân tích phải được thực hiện ở nhiệt độ khí quyển dưới 7 ° C (thử dùng tủ đông đã được làm sạch) và ghi lại đường cong UF-IF cho mỗi điốt bằng cách tăng tỉ mỉ phân cực thuận qua chiết áp, và ghi lại các cường độ thu được của IF, như hiển thị trên đồng hồ đo.

Tiếp theo, mang đài FM lại gần để đảm bảo rằng diode đang được kiểm tra không dao động ở 94,67284 MHz (Tần suất, đối với GISp ở mức doping 10-7).

Nếu bạn thấy điều này đang xảy ra, diode cụ thể có thể không phù hợp với ứng dụng hiện tại. Xác định phạm vi OF đảm bảo -Rd đối với tất cả các điốt. Dựa trên ngưỡng sản xuất của điốt trong lô có sẵn, phạm vi này có thể nhỏ nhất, chẳng hạn như 180 đến 230 mV.

Mạch ứng dụng

Điện do điốt đường hầm tạo ra từ nhiệt có thể được sử dụng để sạc một pin Ni-Cd nhỏ.

Đầu tiên xác định số lượng điốt cần thiết để sạc pin thông qua dòng điện tối thiểu của nó: đối với lựa chọn UF ở trên, tối thiểu Bảy điốt sẽ phải được kết nối nối tiếp để cung cấp dòng điện sạc xấp xỉ 45 mA khi chúng được làm ấm đến mức nhiệt độ:

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

Hoặc xấp xỉ 35 ° C khi điện trở nhiệt của bộ tản nhiệt không quá 3,5 K / W và khi nó được lắp đặt dưới ánh sáng mặt trời cao điểm (Ta 26 ° C). Để có hiệu suất tối đa từ bộ sạc NiCd này, bộ tản nhiệt phải có màu tối để có thể trao đổi nhiệt tốt nhất với các điốt.

Ngoài ra, nó không được có từ tính, vì bất kỳ loại trường bên ngoài nào, cảm ứng hoặc từ tính, sẽ gây ra sự kích thích không ổn định của các hạt mang điện trong đường hầm.

Do đó, điều này có thể dẫn đến hiệu ứng ống dẫn không nghi ngờ, các điện tử có thể bị đánh bật khỏi điểm tiếp giáp p -n trên chất nền, và do đó tích tụ xung quanh các cực điốt, gây ra các điện áp có thể nguy hiểm tùy thuộc vào vỏ kim loại.

Rất tiếc, một số điốt đường hầm Loại BA7891NG rất nhạy cảm với từ trường nhỏ nhất và các thử nghiệm đã chứng minh rằng chúng cần được duy trì nằm ngang so với bề mặt trái đất để ngăn chặn điều này.

Nguyên mẫu ban đầu chứng minh điện từ nhiệt mặt trời sử dụng điốt đường hầm