トンネルダイオード–動作およびアプリケーション回路

トンネルダイオードは、トンネリングと呼ばれる量子力学的効果のために負性抵抗を特徴とする半導体ダイオードの一種です。

この投稿では、トンネルダイオードの基本的な特性と動作、およびこのデバイスを使用した簡単なアプリケーション回路について学習します。

トンネルダイオードを使用して、熱を電気に変換し、小さなバッテリーを充電する方法を見ていきます。

画像クレジット： https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GE_1N3716_tunnel_diode.jpg

概要概要

半導体の世界から長い間姿を消した後、トンネルダイオードは、熱エネルギーを電気に変換するために実装できるという事実の結果として、実際に再起動されました。トンネルダイオードは、 江崎ダイオード 、日本の発明家にちなんで名付けられました。

1950年代から60年代にかけて、トンネルダイオードは主にRF回路の多くのアプリケーションに実装され、その並外れた品質を利用して、非常に高速なレベルセンサー、発振器、ミキサーなどを製造しました。

トンネルダイオードのしくみ

標準のダイオードとは対照的に、トンネルダイオードは、ドーピングレベルが非常に大きい半導体物質を使用して動作するため、p-n接合間の空乏層は、最速のシリコンダイオードよりも約1000倍狭くなります。

トンネルダイオードが順方向にバイアスされると、電子流の「トンネリング」と呼ばれるプロセスがp-n接合全体で発生し始めます。

ドープされた半導体の「トンネリング」は、実際には従来の原子仮説を使用して簡単に理解できない方法であり、おそらくこの小さな記事ではカバーできません。

トンネルダイオードの順方向電圧と電流の関係

トンネルダイオードの順方向電圧UFと電流IFの関係をテストすると、下の図に示すように、ユニットがピーク電圧Upとバレー電圧Uvの間に負性抵抗特性を持っていることがわかります。

したがって、ダイオードがそのIF-UF曲線の影付きの領域内で電力を供給されると、電圧が上昇するにつれて順方向電流が減少します。ダイオードの抵抗は間違いなく負であり、通常は-Rdとして表されます。

この記事で紹介する設計では、直列に接続されたトンネルダイオードデバイスのセットを実装してバッテリーを充電することにより、上記の品質のトンネルダイオードを利用しています。 太陽熱 （ソーラーパネルではありません）。

下の図に示すように、7つ以上のガリウム-アンチモン化インジウム（GISp）トンネルダイオードが直列に接続され、大きなヒートシンクに固定されているため、電力の消費を防ぐことができます（トンネルダイオードは、UFが高くなるか高くなるにつれて冷却されます）。 。

ヒートシンクは、太陽熱、または適用される可能性のある他の形式の熱の効果的な蓄積を可能にするために使用され、そのエネルギーは、提案されたNi-Cdバッテリーを充電するための充電電流に変換する必要があります。

トンネルダイオードを使用して熱を電気に変換する（火力発電）

この特別な構成の動作理論は、実際には驚くほど簡単です。通常の自然な抵抗Rが、電流I = V / Rを介してバッテリーを放電できると想像してください。これは、負性抵抗が同じバッテリーの充電プロセスを開始できることを意味します。これは、Iの符号が逆になるためです。つまり、-I = V / -Rです。

同様に、通常の抵抗でP = PRワットの熱放散が可能である場合、負の抵抗で同じ量のワット数を負荷に供給できます：P = -It-R。

負荷がそれ自体で電圧源であり、内部抵抗が比較的小さい場合は常に、負性抵抗は、確かに、次の式で与えられる充電電流Icが流れるためのより高いレベルの電圧を生成する必要があります。

Ic =δ[Σ（Uf）-Ubat] /Σ（Rd）+ Rbat

注釈Σ（Rd）を参照すると、文字列シーケンス内のすべてのダイオードは-Rd領域内で実行する必要があることがすぐにわかります。これは、主に+ Rd特性を持つ個々のダイオードが対物レンズを終端する可能性があるためです。

トンネルダイオードのテスト

すべてのダイオードが負性抵抗を示すことを確認するために、次の図に示すように簡単なテスト回路を設計できます。

電流の極性を示すようにメーターを指定する必要があることに注意してください。特定のダイオードのIP：Iv比（トンネルの傾き）が非常に大きく、小さな順方向バイアスを実装するとバッテリーが予期せず充電される可能性があります。

分析は7°C未満の大気温度で実行する必要があり（クリーンアップされた冷凍庫を試してください）、ポテンショメータを介して順方向バイアスを注意深く増加させ、結果の大きさを文書化することにより、すべてのダイオードのUF-IF曲線を書き留めます。 IF、メーターの読みに表示されます。

次に、FMラジオを近づけて、テスト対象のダイオードが94.67284 MHz（周波数、ドーピングレベル10-7のGISpの場合）で発振していないことを確認します。

これが発生している場合は、特定のダイオードが現在のアプリケーションに適していない可能性があります。ほぼすべてのダイオードの-Rdを保証するOFの範囲を決定します。利用可能なロットのダイオードの製造しきい値に基づいて、この範囲は、たとえば180〜230mVと同じくらい最小にすることができます。

アプリケーション回路

トンネルダイオードが熱から生成する電気は、小型のNi-Cdバッテリーの充電に使用できます。

まず、最小電流でバッテリーを充電するために必要なダイオードの数を決定します。上記のUFの選択では、加温時に約45 mAの充電電流を提供するために、最低7個のダイオードを直列に接続する必要があります。次の温度レベルに：

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

または、ヒートシンクの熱抵抗が3.5 K / W以下の場合、およびピーク日光（Ta 26°C）の下に設置されている場合は、約35°Cです。このNiCd充電器を最大限に活用するには、ダイオードへの熱交換を最大限に行うために、ヒートシンクを暗色にする必要があります。

さらに、誘導または磁気を問わず、あらゆる種類の外部磁場がトンネル内の電荷キャリアの不安定な刺激を引き起こすことを考慮すると、磁気であってはなりません。

その結果、これは疑うことを知らないダクト効果を引き起こす可能性があり、電子が基板上のp-n接合からノックオフされ、それによってダイオード端子の周りに蓄積し、金属ハウジングによっては危険な電圧を引き起こす可能性があります。

いくつかのトンネルダイオードタイプBA7891NGは、残念ながら、微小な磁場に非常に敏感であり、これを阻止するために、これらを地表に対して水平に維持する必要があることがテストで証明されています。

トンネルダイオードを使用した太陽熱からの電気を実証するオリジナルのプロトタイプ