Diode tunnel - Circuit de travail et d'application

Une diode tunnel est un type de diode semi-conductrice qui présente une résistance négative en raison d'un effet mécanique quantique connu sous le nom de tunneling.

Dans cet article, nous allons apprendre les caractéristiques de base et le fonctionnement des diodes tunnel, ainsi qu'un circuit d'application simple utilisant cet appareil.

Nous verrons comment une diode tunnel pourrait être utilisée pour transformer la chaleur en électricité et pour charger une petite batterie.

Crédit d'image: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GE_1N3716_tunnel_diode.jpg

Aperçu

Après une longue disparition du monde des semi-conducteurs, la diode tunnel, a en fait été relancée du fait qu'elle pourrait être mise en œuvre pour convertir l'énergie thermique en électricité. Les diodes tunnel sont également connues sous le nom de Diode Esaki , du nom de son inventeur japonais.

Dans les années cinquante et soixante, les diodes tunnel ont été implémentées dans de nombreuses applications, principalement dans les circuits RF, dans lesquelles leurs qualités extraordinaires ont été mises à profit pour produire des capteurs de niveau, des oscillateurs, des mélangeurs, etc. extrêmement rapides.

Comment fonctionne la diode tunnel

Contrairement à une diode standard, une diode tunnel fonctionne en utilisant une substance semi-conductrice qui a un niveau de dopage incroyablement élevé, conduisant à la couche d'appauvrissement entre la jonction p -n pour devenir environ 1000 fois plus étroite même que les diodes de silicium les plus rapides.

Une fois que la diode tunnel est polarisée en direct, un processus connu sous le nom de «tunneling» du flux d'électrons commence à se produire tout au long de la jonction p -n.

Le «tunneling» dans les semi-conducteurs dopés est en fait une méthode difficilement compréhensible en utilisant l'hypothèse atomique conventionnelle, et ne peut peut-être pas être couverte dans ce petit article.

Relation entre la tension directe et le courant de la diode tunnel

En testant la relation entre la tension directe, UF et le courant IF d'une diode tunnel, nous pouvons constater que l'unité possède une caractéristique de résistance négative entre la tension de crête, Up, et la tension de vallée, Uv, comme le montre la figure ci-dessous.

Par conséquent, lorsque la diode est alimentée dans la zone ombrée de sa courbe IF-UF, le courant direct diminue à mesure que la tension augmente. La résistance de la diode est sans aucun doute négative et normalement présentée comme -Rd.

La conception présentée dans cet article tire parti de la qualité ci-dessus des diodes tunnel en mettant en œuvre un ensemble de dispositifs à diodes tunnel connectés en série pour charger une batterie à travers chaleur solaire (pas de panneau solaire).

Comme observé dans la figure ci-dessous, sept diodes tunnel d'antimoniure de gallium-indium (GISp) ou plus sont connectées en série et fixées sur un grand dissipateur thermique, ce qui aide à éviter la dissipation de leur puissance (les diodes tunnel se refroidissent lorsque l'UF augmente ou augmente) .

Le dissipateur thermique est utilisé pour permettre une accumulation efficace de chaleur solaire, ou de toute autre forme de chaleur qui peut être appliquée, dont l'énergie doit être transformée en un courant de charge pour charger la batterie Ni-Cd proposée.

Conversion de chaleur en électricité à l'aide de diodes tunnel (électricité thermique)

La théorie de fonctionnement de cette configuration spéciale est en fait étonnamment simple. Imaginez qu'une résistance ordinaire, naturelle, R, soit capable de décharger une batterie à travers un courant I = V / R. ce qui implique qu'une résistance négative pourra initier un processus de charge pour la même batterie, simplement parce que le signe de I s'inverse, c'est-à-dire: -I = V / -R.

De la même manière, si une résistance normale permet une dissipation thermique de P = PR watts, une résistance négative pourra fournir la même quantité de puissance à la charge: P = -It-R.

Chaque fois que la charge est une source de tension à elle seule avec une résistance interne relativement réduite, la résistance négative doit certainement générer un niveau de tension plus élevé pour que le courant de charge, Ic, puisse circuler, ce qui est donné par la formule:

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

En se référant à l'annotation Σ (Rd), il est tout de suite compris que toutes les diodes de la séquence de chaînes doivent être exécutées à l'intérieur de la région -Rd, principalement parce que toute diode individuelle avec une caractéristique + Rd pourrait terminer l'objectif.

Test des diodes de tunnel

Pour s'assurer que toutes les diodes présentent une résistance négative, un circuit de test simple peut être conçu comme indiqué dans la figure suivante.

Notez que le compteur doit être spécifié pour indiquer la polarité du courant, car il peut très bien arriver qu'une diode spécifique ait un rapport IP: Iv (pente du tunnel) vraiment excessif provoquant une charge inattendue de la batterie lors de la mise en œuvre d'une petite polarisation directe.

L'analyse doit être effectuée à une température atmosphérique inférieure à 7 ° C (essayez un congélateur nettoyé), et notez la courbe UF-IF pour chaque diode en augmentant méticuleusement la polarisation directe via le potentiomètre et en documentant les magnitudes résultantes de IF, comme indiqué sur la lecture du compteur.

Ensuite, rapprochez une radio FM pour vous assurer que la diode testée n'oscille pas à 94,67284 MHz (Fréq, pour GISp au niveau de dopage 10-7).

Si cela se produit, la diode spécifique peut ne pas convenir à la présente application. Déterminez la plage de OF qui garantit -Rd pour à peu près toutes les diodes. Sur la base du seuil de fabrication des diodes dans le lot disponible, cette plage pourrait être aussi minime que, disons, 180 à 230 mV.

Circuit d'application

L'électricité produite par les diodes tunnel à partir de la chaleur peut être utilisée pour charger une petite batterie Ni-Cd.

Déterminez d'abord la quantité de diodes nécessaire pour charger la batterie grâce à son courant minimal: pour la sélection ci-dessus d'UF, un minimum de Sept diodes devront être connectées en série afin de fournir un courant de charge d'environ 45 mA lorsqu'elles sont réchauffées à un niveau de température de:

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

Ou environ 35 ° C lorsque la résistance thermique du dissipateur n'est pas supérieure à 3,5 K / W, et lorsqu'il est installé sous un ensoleillement maximal (Ta 26 ° C). Pour avoir le maximum d'efficacité de ce chargeur NiCd, le dissipateur thermique doit être de couleur sombre pour le meilleur échange thermique possible avec les diodes.

De plus, il ne doit pas être magnétique, étant donné que tout type de champ extérieur, induit ou magnétique, provoquera une stimulation instable des porteurs de charge dans les tunnels.

Cela peut par conséquent entraîner l'effet de conduit sans méfiance que les électrons peuvent probablement être chassés de la jonction p -n sur le substrat, et ainsi s'accumuler autour des bornes de la diode, déclenchant peut-être des tensions dangereuses en fonction du boîtier métallique.

Plusieurs diodes tunnel de type BA7891NG sont, malheureusement, très sensibles aux champs magnétiques les plus infimes, et des tests ont prouvé que ceux-ci doivent être maintenus à l'horizontale par rapport à la surface de la terre pour empêcher cela.

Prototype original démontrant l'électricité à partir de la chaleur solaire à l'aide de diodes tunnel