Tünel Diyot - Çalışma ve Uygulama Devresi

Bir tünel diyotu, tünelleme olarak bilinen kuantum mekanik bir etki nedeniyle negatif bir direnç gösteren bir tür yarı iletken diyottur.

Bu yazıda tünel diyotların temel özelliklerini ve çalışmasını ve ayrıca bu cihazı kullanarak basit bir uygulama devresini öğreneceğiz.

Isıyı elektriğe dönüştürmek ve küçük bir pili şarj etmek için bir tünel diyotunun nasıl kullanılabileceğini göreceğiz.

Resim Kredisi: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GE_1N3716_tunnel_diode.jpg

Genel Bakış

Yarı iletken dünyasından uzun bir süre sonra kaybolan tünel diyot, ısı enerjisini elektriğe dönüştürmek için uygulanabileceği gerçeği nedeniyle aslında yeniden başlatıldı. Tünel diyotları olarak da bilinir Esaki diyot , Japon mucidinin adını almıştır.

Bin dokuz yüz ellili ve altmışlarda, tünel diyotları, çok hızlı seviye sensörleri, osilatörler, mikserler ve bunun gibi şeyler üretmek için olağanüstü niteliklerinden yararlanılan RF devrelerinde birçok uygulamada uygulandı.

Tünel Diyot Nasıl Çalışır?

Standart bir diyotun aksine, bir tünel diyot, inanılmaz derecede büyük bir doping seviyesine sahip yarı iletken bir madde kullanarak çalışır ve p -n bağlantısı arasındaki tükenme katmanının en hızlı silikon diyotlardan bile yaklaşık 1000 kat daha dar olmasına yol açar.

Tünel diyotu ileri doğru yönlendirildiğinde, p -n kavşağı boyunca elektron akışının 'tünellenmesi' olarak bilinen bir süreç gerçekleşmeye başlar.

Katkılı yarı iletkenlerde 'tünel açma' aslında geleneksel atomik hipotez kullanılarak kolayca anlaşılamayan bir yöntemdir ve belki de bu küçük makalede ele alınamaz.

Tünel Diyot İleri Gerilimi ve Akım Arasındaki İlişki

Bir tünel diyotunun ileri voltajı, UF ve akımı, IF arasındaki ilişkiyi test ederken, aşağıdaki Şekil'de gösterildiği gibi, birimin tepe voltajı, Yukarı ve vadi voltajı Uv arasında negatif bir direnç karakteristiğine sahip olduğunu görebiliriz.

Bu nedenle, diyot, IF-UF eğrisinin gölgeli alanı içinde çalıştırıldığında, voltaj yükseldikçe ileri akım düşer. Diyotun direnci hiç şüphesiz negatiftir ve normal olarak -Rd olarak sunulur.

Bu makalede sunulan tasarım, bir bataryayı şarj etmek için seri olarak bağlanmış bir dizi tünel diyot cihazı uygulayarak yukarıdaki tünel diyot kalitesinin avantajını kullanır. Güneş ısısı (güneş paneli değil).

Figurebelow'da görüldüğü gibi, yedi veya daha fazla Gallium-Indium Antimonide (GISp) tünel diyodu seri olarak bağlanır ve büyük bir soğutucuya kenetlenir, bu da güçlerinin dağılmasını önlemeye yardımcı olur (UF yükseldikçe veya arttıkça tünel diyotları soğur) .

Soğutucu, önerilen Ni-Cd pili şarj etmek için enerjisinin bir şarj akımına dönüştürülmesi gereken, güneş ısısının veya uygulanabilecek diğer herhangi bir ısı biçiminin etkili bir şekilde birikmesini sağlamak için kullanılır.

Tünel Diyotlarını Kullanarak Isıyı Elektriğe Dönüştürme (Termal Elektrik)

Bu özel konfigürasyonun çalışma teorisi aslında şaşırtıcı derecede basittir. Sıradan, doğal bir direnç hayal edin, R, bir aküyü I = V / R akımı ile boşaltabilir. bu, negatif bir direncin aynı batarya için bir şarj işlemini başlatabileceğini ima eder, çünkü I'in işareti tersine döner, yani: -I = V / -R.

Aynı şekilde, normal bir direnç P = PR watt ile ısı dağılımına izin veriyorsa, negatif bir direnç yüke aynı miktarda watt sağlayabilir: P = -It-R.

Yük, nispeten azaltılmış iç dirence sahip kendi başına bir voltaj kaynağı olduğunda, negatif direnç, kesinlikle, aşağıdaki formülle verilen şarj akımı Ic için daha yüksek bir voltaj seviyesi üretmelidir:

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

Σ (Rd) ek açıklamasına bakıldığında, tel dizisi içindeki tüm diyotların -Rd bölgesi içinde çalıştırılması gerektiği, esas olarak + Rd karakteristiğine sahip herhangi bir ayrı diyotun hedefi sonlandırabileceği için hemen anlaşılır.

Tünel Diyotlarının Test Edilmesi

Tüm diyotların negatif bir direnç gösterdiğinden emin olmak için, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi basit bir test devresi tasarlanabilir.

Ölçüm cihazının akımın polaritesini gösterecek şekilde belirtilmesi gerektiğine dikkat edin, çünkü belirli bir diyotun gerçekten aşırı bir IP: Iv oranına (tünel eğimi) sahip olması, küçük bir ileri sapma uygulandığında pilin beklenmedik şekilde şarj olmasına neden olabilir.

Analiz, 7 ° C'nin altındaki atmosferik bir sıcaklıkta gerçekleştirilmeli (temizlenmiş bir dondurucu deneyin) ve potansiyometre aracılığıyla ileri sapmayı titizlikle artırarak ve sonuçta ortaya çıkan büyüklükleri belgeleyerek her bir diyot için UF-IF eğrisini not edin. IF, sayaç okumasında gösterildiği gibi.

Ardından, test edilen diyotun 94.67284 MHz'de salınım yapmadığından emin olmak için yakına bir FM radyo getirin (Doping seviyesi 10-7'de GISp için Freq).

Bunun olduğunu fark ederseniz, özel diyot mevcut uygulama için uygun olmayabilir. Hemen hemen tüm diyotlar için -Rd'yi garanti eden OF aralığını belirleyin. Mevcut partideki diyotların üretim eşiğine bağlı olarak, bu aralık 180 ila 230 mV kadar minimum olabilir.

Uygulama devresi

Tünel diyotlarının ısıdan ürettiği elektrik, küçük bir Ni-Cd pili şarj etmek için kullanılabilir.

Öncelikle, bataryayı minimum akımıyla şarj etmek için gerekli diyot miktarını belirleyin: Yukarıdaki UF seçimi için, ısıtıldıklarında yaklaşık 45 mA'lık bir şarj akımı sağlamak için minimum Yedi diyotun seri bağlanması gerekecektir. sıcaklık seviyesine kadar:

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

Veya soğutucunun termal direnci 3,5 K / W'dan fazla olmadığında ve en yoğun güneş ışığı (Ta 26 ° C) altında kurulduğunda yaklaşık 35 ° C. Bu NiCd şarj cihazından maksimum verime sahip olmak için, soğutucunun diyotlara mümkün olan en iyi ısı alışverişi için koyu renkli olması gerekir.

Ek olarak, indüklenmiş veya manyetik herhangi bir dış alanın tüneller içindeki yük taşıyıcılarının dengesiz uyarılmasına neden olacağı dikkate alındığında manyetik olmamalıdır.

Bu sonuç olarak şüphesiz kanal etkisi elektronlarının substrat üzerindeki p -n bağlantısından düşmesine neden olabilir ve bu nedenle diyot terminalleri etrafında birikerek metalik muhafazaya bağlı olarak tehlikeli voltajları tetikleyebilir.

Bazı tünel diyotları Tip BA7891NG, ne yazık ki, en küçük manyetik alanlara karşı çok hassastır ve testler, bunların, bunu engellemek için dünyanın yüzeyine göre yatay tutulması gerektiğini kanıtlamıştır.

Tünel Diyotları Kullanarak Güneş Enerjisinden Elektriği Gösteren Orijinal Prototip