隧道二极管-工作和应用电路-自制电路项目金博188的网站

隧道二极管是一种半导体二极管，由于称为隧道效应的量子力学效应，它具有负电阻。

在这篇文章中，我们将学习隧道二极管的基本特性和工作原理，以及使用该器件的一个简单的应用电路。

我们将看到隧道二极管如何用于将热转化为电，并为小型电池充电。

概述

在半导体世界消失了很长一段时间之后，隧道二极管又重新出现了，因为它可以将热能转化为电能。隧道二极管也被称为隧道二极管以其日本发明者的名字命名。

在20世纪五六十年代，隧道二极管主要应用于射频电路，其卓越的特性被用来生产极快的电平传感器、振荡器、混频器等等。

与标准二极管相比，隧道二极管的工作原理是使用掺杂量非常大的半导体物质，导致p -n结之间的耗尽层比速度最快的硅二极管窄约1000倍。

一旦隧道二极管正向偏置，电子流的“隧穿”过程开始在p -n结发生。

掺杂半导体中的“隧道效应”实际上是一种使用传统原子假说难以理解的方法，在这篇小文章中也可能无法涵盖。

在测试隧道二极管的正向电压UF和电流IF之间的关系时，可以发现该单元在峰值电压Up和低谷电压Uv之间具有负电阻特性，如下图所示。

因此，当二极管在其IF-UF曲线的阴影区域内供电时，正向电流随着电压的升高而下降。二极管的电阻毫无疑问是负的，通常表示为-Rd。

本文的设计利用了隧道二极管的上述特性，实现了一组串行连接的隧道二极管器件来为电池充电太阳的热量(没有太阳能板)。

如图所示，七个或更多的镓铟锑(GISp)隧道二极管串联在一起，并固定在一个大散热片上，这有助于防止它们的功率耗散(隧道二极管会随着UF升高或增加而变冷)。

散热器用于有效地积累太阳能热，或任何其他形式的热，其能量需要转换成充电电流，为拟议的镍镉电池充电。

这种特殊结构的工作原理实际上非常简单。想象一个普通的，自然的，电阻，R，能够通过电流I=V/R放电电池。这意味着负电阻将会启动同一个电池的充电过程，仅仅是因为I的符号被颠倒了，即:-I=V/-R。

同样地，如果一个正常电阻允许以P= PR瓦的功率散热，一个负电阻将能够为负载提供同样数量的瓦数:P= -It-R。

当负载本身是一个内阻相对减小的电压源时，负电阻必然会为充电电流Ic产生更大的电压，如公式所示:

Ic= δ[Σ(Uf) - Ubat] / Σ(Rd)+Rbat

参考注释Σ (Rd)，可以立即理解字符串序列中的所有二极管都必须运行在-Rd区域内，这主要是因为任何具有+Rd特征的二极管都可能终止目标。

为了确保所有二极管都具有负电阻，可以设计一个简单的测试电路，如下图所示。

观察仪表应该指定指示电流的极性，因为它很可能发生，一个特定的二极管有一个真正过度的IP:Iv比率(隧道斜率)，导致电池意外充电，实现一个小的正向偏置。

分析必须在低于7°C的大气温度下进行(尝试一个清洁的冰箱)，并记录每一个二极管的UF-IF曲线，通过电位计小心地增加正向偏置，并记录在仪表读数上显示的IF的结果大小。

接下来，带一个调频收音机靠近，以确保被测试的二极管没有振荡在94.67284兆赫(频率，为GISp在兴奋剂水平10-7)。

如果你发现这种情况发生，特定的二极管可能不适合目前的应用。确定保证几乎所有二极管的-Rd的of范围。基于可用批次中二极管的制造阈值，这个范围可以是最小的，比如说，180到230 mV。

隧道二极管发热产生的电可以用来给小型镍镉电池充电。

首先确定二极管充电所需的数量通过其最小电流:在上面的佛罗里达大学的选择,至少七个二极管串联的必须提供充电电流约为45马时加热温度水平的:

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

或当散热器热阻不大于3.5 K/W时，在35℃左右，且安装在阳光峰值(Ta 26℃)下。为了达到这个镍镉充电器的最大效率，散热片必须是深色的，以便与二极管进行最好的热交换。

另外，它不能是磁性的，考虑到任何类型的外部磁场，无论是感应的还是磁性的，都会对隧道内的载流子造成不稳定的刺激。

这可能会导致不知情的管道效应;电子可能会从衬底上的p -n结被敲出，从而在二极管终端周围聚集，根据金属外壳触发可能危险的电压。

遗憾的是，一些BA7891NG型隧道二极管对极小的磁场非常敏感，试验证明，为了阻止磁场，需要使这些二极管与地球表面保持水平。