隧道二极管的基本特性/工作原理及应用电路

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，以及使用该器件的简单应用电路。

我们将看到隧道二极管如何用于将热量转化为电能，并为小型电池充电。

概述

在从半导体世界中消失了很长时间之后，隧道二极管实际上已经重新启动，因为它可以实现将热能转化为电能。隧道二极管也被称为江崎二极管，以其日本发明者的名字命名。

在十九世纪五十年代和六十年代，隧道二极管在许多应用中得到实施，主要是在射频电路中，它们的非凡品质被用于生产极快的液位传感器、振荡器、混频器等。

隧道二极管的工作原理

与标准二极管相比，隧道二极管通过使用具有令人难以置信的大掺杂水平的半导体物质来工作，导致p

-n结之间的耗尽层变得比最快的硅二极管窄约1000倍。

一旦隧道二极管正向偏置，整个p -n结开始发生称为电子流“隧穿”的过程。

掺杂半导体中的“隧穿”实际上是一种使用传统原子假设不容易理解的方法，也许不能在这篇小文章中涵盖。

隧道二极管正向电压与电流的关系

在测试隧道二极管的正向电压UF和电流IF之间的关系时，我们可以发现该装置在峰值电压Up和谷值电压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曲线的阴影区域内上电时，正向电流会随着电压的上升而下降。二极管的电阻毫无疑问是负的，通常表示为-Rd。

本文介绍的设计利用了隧道二极管的上述质量，通过实现一组串行连接的隧道二极管器件，通过太阳热量（不是太阳能电池板）为电池充电。

如下图所示，七个或更多的镓锑锑（GISp）隧道二极管串联起来并夹在一个大散热器上，这有助于防止其功率耗散（隧道二极管随着UF的升高或增加而变冷）。

散热器用于有效积累太阳热量或可能施加的任何其他形式的热量，其能量需要转换为充电电流，以便为拟议的镍镉电池充电。

使用隧道二极管将热量转换为电能（热电）

这种特殊配置的工作原理实际上非常简单。想象一下，一个普通的、自然的电阻R能够通过电流I=V/R对电池放电，这意味着负电阻将能够启动同一电池的充电过程，仅仅是因为I的符号被颠倒了，即：-I=V/-R。

同样，如果正常电阻允许P=PR瓦特散热，负电阻将能够为负载提供相同数量的瓦数：P = -It-R。

当负载本身是一个内阻相对降低的电压源时，负电阻当然必须产生更大的电压水平，以便充电电流Ic流动，由公式给出：

ic= δ［ σ（uf） - ubat］ / σ （rd）+rbat

参考注释Σ（Rd），可以立即理解，串序列中的所有二极管都必须在-Rd区域内运行，主要是因为任何具有+Rd特性的单个二极管都可能终止目标。

测试隧道二极管

为了确保所有二极管都呈现负电阻，可以设计一个简单的测试电路，如下图所示。

请注意，应指定仪表以指示电流的极性，因为很可能发生特定二极管的IP：IV比（隧道斜率）非常过大的情况，导致电池在实现小正向偏置时意外充电。

分析必须在低于7°C的大气温度下进行（尝试使用清理过的冰箱），并通过精确增加通过电位计的正向偏置并记录由此产生的IF幅度，记下每个二极管的UF-IF曲线，如仪表读数所示。

接下来，将FM收音机靠近，以确保正在测试的二极管不会以94.67284 MHz振荡（频率，对于掺杂水平为10-7的GISp）。

如果发现这种情况发生，特定的二极管可能不适合本应用。确定保证几乎所有二极管的-Rd的OF范围。根据可用批次中二极管的制造阈值，该范围可能最小至180至230

mV。

应用电路

隧道二极管从热量中产生的电力可用于为小型镍镉电池充电。

首先确定通过最小电流为电池充电所需的二极管数量：对于上述UF选择，至少必须串联七个二极管，以便在加热到以下温度水平时提供约45

mA的充电电流：

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

或者当散热器的热阻不超过 35.3 K/W 并且安装在峰值阳光下 （Ta 5°C） 时，大约

26°C。为了从该镍镉充电器中获得最大效率，散热器必须是深色的，以便与二极管进行最佳的热交换。

此外，考虑到任何类型的外部场，无论是感应的还是磁性的，都会导致隧道内电荷载流子的不稳定刺激，它不得具有磁性。

因此，这可能会带来毫无戒心的管道效应;电子可能会从基板上的P -n结被击落，从而在二极管端子周围积聚，根据金属外壳的不同，触发可能的危险电压。

遗憾的是，BA7891NG型的几个隧道二极管对最微小的磁场非常敏感，测试证明，这些二极管需要保持相对于地球表面的水平才能阻止这种情况。

使用隧道二极管演示太阳能热能发电的原始原型