隧道二極管的基本特性/工作原理及應(yīng)用電路

在這篇文章中，我們將學(xué)習(xí)隧道二極管的基本特性和工作原理，以及使用該器件的簡(jiǎn)單應(yīng)用電路。

我們將看到隧道二極管如何用于將熱量轉(zhuǎn)化為電能，并為小型電池充電。

概述

在從半導(dǎo)體世界中消失了很長(zhǎng)時(shí)間之后，隧道二極管實(shí)際上已經(jīng)重新啟動(dòng)，因?yàn)樗梢詫?shí)現(xiàn)將熱能轉(zhuǎn)化為電能。隧道二極管也被稱為江崎二極管，以其日本發(fā)明者的名字命名。

在十九世紀(jì)五十年代和六十年代，隧道二極管在許多應(yīng)用中得到實(shí)施，主要是在射頻電路中，它們的非凡品質(zhì)被用于生產(chǎn)極快的液位傳感器、振蕩器、混頻器等。

隧道二極管的工作原理

與標(biāo)準(zhǔn)二極管相比，隧道二極管通過使用具有令人難以置信的大摻雜水平的半導(dǎo)體物質(zhì)來工作，導(dǎo)致p

-n結(jié)之間的耗盡層變得比最快的硅二極管窄約1000倍。

一旦隧道二極管正向偏置，整個(gè)p -n結(jié)開始發(fā)生稱為電子流“隧穿”的過程。

摻雜半導(dǎo)體中的“隧穿”實(shí)際上是一種使用傳統(tǒng)原子假設(shè)不容易理解的方法，也許不能在這篇小文章中涵蓋。

隧道二極管正向電壓與電流的關(guān)系

在測(cè)試隧道二極管的正向電壓UF和電流IF之間的關(guān)系時(shí)，我們可以發(fā)現(xiàn)該裝置在峰值電壓Up和谷值電壓Uv之間具有負(fù)電阻特性，如下圖所示。

因此，當(dāng)二極管在其IF-UF曲線的陰影區(qū)域內(nèi)上電時(shí)，正向電流會(huì)隨著電壓的上升而下降。二極管的電阻毫無疑問是負(fù)的，通常表示為-Rd。

本文介紹的設(shè)計(jì)利用了隧道二極管的上述質(zhì)量，通過實(shí)現(xiàn)一組串行連接的隧道二極管器件，通過太陽熱量（不是太陽能電池板）為電池充電。

如下圖所示，七個(gè)或更多的鎵銻銻（GISp）隧道二極管串聯(lián)起來并夾在一個(gè)大散熱器上，這有助于防止其功率耗散（隧道二極管隨著UF的升高或增加而變冷）。

散熱器用于有效積累太陽熱量或可能施加的任何其他形式的熱量，其能量需要轉(zhuǎn)換為充電電流，以便為擬議的鎳鎘電池充電。

使用隧道二極管將熱量轉(zhuǎn)換為電能（熱電）

這種特殊配置的工作原理實(shí)際上非常簡(jiǎn)單。想象一下，一個(gè)普通的、自然的電阻R能夠通過電流I=V/R對(duì)電池放電，這意味著負(fù)電阻將能夠啟動(dòng)同一電池的充電過程，僅僅是因?yàn)镮的符號(hào)被顛倒了，即：-I=V/-R。

同樣，如果正常電阻允許P=PR瓦特散熱，負(fù)電阻將能夠?yàn)樨?fù)載提供相同數(shù)量的瓦數(shù)：P = -It-R。

當(dāng)負(fù)載本身是一個(gè)內(nèi)阻相對(duì)降低的電壓源時(shí)，負(fù)電阻當(dāng)然必須產(chǎn)生更大的電壓水平，以便充電電流Ic流動(dòng)，由公式給出：

ic= δ［ σ（uf） - ubat］ / σ （rd）+rbat

參考注釋?duì)玻≧d），可以立即理解，串序列中的所有二極管都必須在-Rd區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，主要是因?yàn)槿魏尉哂?Rd特性的單個(gè)二極管都可能終止目標(biāo)。

測(cè)試隧道二極管

為了確保所有二極管都呈現(xiàn)負(fù)電阻，可以設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試電路，如下圖所示。

請(qǐng)注意，應(yīng)指定儀表以指示電流的極性，因?yàn)楹芸赡馨l(fā)生特定二極管的IP：IV比（隧道斜率）非常過大的情況，導(dǎo)致電池在實(shí)現(xiàn)小正向偏置時(shí)意外充電。

分析必須在低于7°C的大氣溫度下進(jìn)行（嘗試使用清理過的冰箱），并通過精確增加通過電位計(jì)的正向偏置并記錄由此產(chǎn)生的IF幅度，記下每個(gè)二極管的UF-IF曲線，如儀表讀數(shù)所示。

接下來，將FM收音機(jī)靠近，以確保正在測(cè)試的二極管不會(huì)以94.67284 MHz振蕩（頻率，對(duì)于摻雜水平為10-7的GISp）。

如果發(fā)現(xiàn)這種情況發(fā)生，特定的二極管可能不適合本應(yīng)用。確定保證幾乎所有二極管的-Rd的OF范圍。根據(jù)可用批次中二極管的制造閾值，該范圍可能最小至180至230

mV。

應(yīng)用電路

隧道二極管從熱量中產(chǎn)生的電力可用于為小型鎳鎘電池充電。

首先確定通過最小電流為電池充電所需的二極管數(shù)量：對(duì)于上述UF選擇，至少必須串聯(lián)七個(gè)二極管，以便在加熱到以下溫度水平時(shí)提供約45

mA的充電電流：

Γ ［ -Σ （Rd）If］［ δ （Rth-j） - RΘ］?！蹋═d+Ta）°C

或者當(dāng)散熱器的熱阻不超過 35.3 K/W 并且安裝在峰值陽光下 （Ta 5°C） 時(shí)，大約

26°C。為了從該鎳鎘充電器中獲得最大效率，散熱器必須是深色的，以便與二極管進(jìn)行最佳的熱交換。

此外，考慮到任何類型的外部場(chǎng)，無論是感應(yīng)的還是磁性的，都會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)電荷載流子的不穩(wěn)定刺激，它不得具有磁性。

因此，這可能會(huì)帶來毫無戒心的管道效應(yīng);電子可能會(huì)從基板上的P -n結(jié)被擊落，從而在二極管端子周圍積聚，根據(jù)金屬外殼的不同，觸發(fā)可能的危險(xiǎn)電壓。

遺憾的是，BA7891NG型的幾個(gè)隧道二極管對(duì)最微小的磁場(chǎng)非常敏感，測(cè)試證明，這些二極管需要保持相對(duì)于地球表面的水平才能阻止這種情況。

使用隧道二極管演示太陽能熱能發(fā)電的原始原型